1.10 Кольцевая схема выпрямления

Кольцевая схема выпрямления, принципиальная схема которой приведена на рисунок 18, предназначена в первую очередь для работы на низковольтную сильноточную нагрузку, включая и зарядку аккумуляторов. [5].

Схема содержит трехфазный трансформатор с двумя трех фазными вторичными обмотками, соединенными в звезду. Нагрузка подключается через сглаживающий дроссель L_d к нулевым точкам вторичных обмоток, т.е. к точкам О1 и О2. При этом точка О2 является положительным потенциалом, а точка О1- отрицательным. В этой схеме ток всегда проходит через один вентиль, причем через тот вентиль, к которому приложено наибольшее линейное напряжение (смотри таблицу 8) .

При указанном на рисунке 18 порядке подключения фаз вторичных обмоток трансформатора к вентилям номер вентиля совпадает с порядком вступления его в работу.

Очередность следования векторов линейных напряжений и номера работающих вентилей Таблица 8

Линейное напряжение	Ua1b2	Ua1c2	Ub1c2	Ub1a2	Uc1a2	Uc1b2
Работающей вентиль	VS1	VS2	VS3	VS4	VS5	VS6

На рисунке 19 приведены следующие временные диаграммы напряжений и токов кольцевой схемы выпрямления, соответствующие режиму работы выпрямителя при α=30° и γ=0°:

- u_a1b2, u_a1c2,_, u_b1c2, u_b1a2, u_c1a2, u_c1b2 -кривые линейных напряжений вторичных обмоток;

-u_V1 - кривая напряжения на вентиле VS1;

-u_d-кривая выпрямленного напряжения;

- i_V1- кривая тока вентиля VS1;

- i_а1- кривая тока фазы а₁;

- i_а2- кривая тока фазы а_2.

Длительность тока, протекающего через каждую фазу вторичной обмотки составляет 1/3 периода питающего напряжения.

Рисунок 18. Кольцевая схема выпрямления

Определим ток первичной обмотки трансформатора.

Как уже было сказано, величина и форма кривой тока в первичной обмотке трансформатора определяется на основании уравнений равновесия намагничивающих сил сердечника трансформатора.

На первом такте работы схемы включен вентиль VS1. Уравнения равновесия намагничивающих сил контуров включающих

-стержни фаз А и В: i_Aw₁+i_a1w₂+i_b2w₂-i_Bw₁=0;

-стержни фаз А и С: i_Aw₁+i_a1w₂-i_cw₁=0;

Токи i_a1=i_b2=I_d.

Для упрощения процесса вывода выражения тока первичной обмотки трансформатора примем равенство витков обмоток w₁=w₂.

Учтем также, что сумма токов первичной обмотки трансформатора

i_A+i_В+i_С=0.

В этом случае:

i_A+I_d+I_d- i_B=0;

i_A+I_d- i_C=0;

i_A+i_B+i_C=0.

Решая эту систему уравнений, получим:

i_A=-I_d; i_B=+I_d; i_C=0;

На втором такте работы схемы включен вентиль VS2. Уравнения равновесия намагничивающих сил контуров, включающих

стержни фаз А и В: i_Aw₁+i_a1w₂-i_Bw₁=0;

-стержни фаз А и С: i_Aw₁+i_a1w₂+i_С1w₂-i_Сw₁=0.

С учетом выше принятого допущения

i_A+I_d-i_B=0;

i_A+I_d+I_d-i_C=0;

i_A+i_B+i_C=0.

Решая эту систему уравнений, получим:

i_A=-I_d; i_С=+I_d; i_B=0;

Форма тока фазы А (i_а1) приведена на рисунке 19.

Из приведенных на рисунке 19 кривых токов вторичных и первичных обмоток видно, что намагничивающие силы обмоток, расположенных на одном и том же стержне магнитопровода трансформатора всегда уравновешенны, что обеспечивает отсутствие какого-либо вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора.

Приведем основные расчетные соотношения для этой схемы выпрямителя

Среднее значение выпрямленного напряжения при непрерывном характере тока нагрузки:

(75)

Среднее значение тока вентиля

(76)

Действующее значение тока вентиля

(77) Максимальное значение тока вентиля

I_{в max} =I_{d max}.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора при непрерывном и сглаженном токе нагрузки

(78)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора при непрерывном и сглаженном токе нагрузки

(79)

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

(80)

Рисунок 19. Временные диаграммы, поясняющие работу кольцевой схемы выпрямления

Рисунок 21. Распределение токов по

Рисунок 20. Распределение токов по фазам обмоток трансформатора при работе вентиля VS1

фазам обмоток трансформатора при работе вентиля VS2

Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора

(81)

Расчетная мощность трансформатора в целом

(82)

Достоинства и недостатки кольцевой схемы выпрямления.

Достоинства:

1. Использование вентилей по току в части среднего значения и действующего значения такое же, как и в двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором

2. Отсутствует необходимости в уравнительном реакторе.

3. Использование трансформатора по мощности такое же, как и в двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором.

4. При протекании тока нагрузки имеет место падение напряжения только на одном вентиле (ΔU_в.пр.)

5. Шестикратная пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатки:

1. Использование трансформатора по мощности хуже, чем в трехфазной мостовой схеме.

2. Амплитудное значение тока вентиля равно I_d (также как и в трехфазной мостовой схеме).

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы кольцевой схемы выпрямления.

2 Чему равен интервал проводимости тока каждого вентиля этой схемы?

3 Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле больше среднего значения напряжения нагрузки?

4 Чему равен интервал проводимости тока каждой фазы вторичной обмотки трансформатора?

5 Чему равна частота пульсации напряжения нагрузки?

6 Чему равно среднее значение тока каждого вентиля в масштабе тока нагрузки?

7 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки?

Сведем в таблицу 9 все расчетные соотношения рассмотренных выше схем выпрямления.

В общем случае при L_d=0 действующее значение токов первичной и вторичных обмоток трансформатора и, соответственно, их мощности, увеличиваются по сравнению с работой при L_d→∞ Особенно заметны эти различия у выпрямителей с малой пульсностью (k_тm₂≤3) Однако, как это показано в [1], при пульсности выпрямителя k_тm₂≥6 погрешность в расчете токов и мощностей трансформатора для случая L_d=0 не превышают 0,01% по сравнению со случаем L_d→∞.

Сводная таблица соотношений рассмотренных схем выпрямления при α=0.

Таблица 9

Схема выпрямле-ния	kсх	Трансформатор					Вентили					fп―fc
		I1 * ― Id	I2 ― Id	S1 ― Pd	S2 ― Pd	SТ― Pd	Iв.ср ― Id	Iв.m ― Id		Iв. ― Iв.ср.	ku
Однофазный однотактный	0,45	1,21	1,57	2,69	3,49	3,09	1,0	1,0	1.57		3,14		1
Двухполу-периодный с выводом нулевой точки трансформ.	0,9	1,11 ___ 1,0	0,78 0,78	1,23 1,11	1,74 1,57	1,48 ___ 1,34	0,5	1,0	1,57 ____1,41		3,14		2
Однофазная мостовая	0,9	1,11 ___ 1,0	1,11 ___ 1,0	1,23 1,11	1,23 ___ 1,11	1,23 1,11	0,33	1,0		1,57 ____ 1,41	1,57	2
Трехфазная однотактная	1,17	0,49___0,47	0,58 ___ 0,57	1,25 1,21	1,48 1,48	1,37___ 1,35	0,33	1,0		1,75 1,73	2,09	3
Трехфазная мостовая	2,34	0,81	0,81	1,05	1.05	1,05	0,33	1,0		0,57	1,05	6
Шести-фазная с нулевым выходом	1,35	0,47	0,47	1,28	1,85	1,55	0,16	1,0		0,40	2,1	6
Двойная трехфазная с уравни-тельным реактором	1,17	0,40	0,28	1,05	1,48	1,26	0,16	0,5		0,28	2,1	6
Кольцевая	2,34	0,81	0,57	1,05	1,48	1,26	0,16	1,0	0,40		2,1		6

* Соотношение I₁/I_dсоответствует коэффициенту трансформации сетевого трансформатора равном 1. Параметры, указанные в таблице 9, соответствующие активному характеру нагрузки (Ld=0), приведены в числителе, а при активно-индуктивном характере нагрузки (Ld=∞)– в знаменателе.