5. Управляемые и частично управляемые трехфазные

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Управляемые преобразователи получили достаточно широкое применение, так как позволяют плавно регулировать выпрямленное напряжение, осуществлять инверторный режим для преобразования постоянного тока в переменный, создавать коммутационные и защитные устройства.

Для создания таких преобразователей используются управляемые вентили (в основном тиристоры), включение которых происходит при напряжении прямой полярности при наличии положительных импульсов (сигналов) на их управляющих электродах. Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо обеспечить спадание протекающего через него прямого тока до нуля (точнее – до значения, меньшего, чем ток удержания тиристора).

Моментом вступления вентилей в работу можно управлять, т. е. можно задерживать открытие очередного вентиля и тем самым задерживать начало коммутации на время, измеряемое углом регулирования или управления α. Такой угол на временных диаграммах откладывается вправо от момента естественного открытия вентиля.

При работе преобразователя различают режимы прерывистого и непрерывного тока. Первый из них имеет место при активной нагрузке, второй – при активно-индуктивной. Временные диаграммы выпрямленного напряжения и тока трехфазного трехпульсового управляемого выпрямителя, работающего на активную нагрузку, приведены на рис. 12, а-в, а на активно-индуктивную – на рис. 12, г-е.

В режиме прерывистого тока вентили преобразователя открыты до момента перехода напряжения u₂ через нуль из положительной области в отрицательную. В этот момент ток вентиля становится равным нулю и вентиль закрывается.

В режиме непрерывного тока при переходе напряжения u₂ в отрицательную область ток продолжает протекать через вентиль под действием ЭДС самоиндукции е_d, возникающей в индуктивности цепи выпрямленного тока. Каждый предыдущий вентиль будет работать вплоть до открытия очередного.

Рис. 12. Временные диаграммы выпрямленного напряжения и тока трехфазного трехпульсового управляемого выпрямителя, работающего на активную (а ­­– в) и активно-индуктивную (г – е) нагрузку

Для трехфазного управляемого выпрямителя граничное значение угла управления α = π/6. При значениях α ≤ π/6 кривая выпрямленного напряжения u_d идентична для обоих режимов.

Управляемые трехфазные выпрямители в лабораторных работах изучаются на примере шестипульсового мостового выпрямителя со схемой соединения обмоток трансформатора «звезда–звезда» (рис. 13).

Рис. 13. Схема трехфазного мостового шестипульсового управляемого выпрямителя

При наличии достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки задержка вступления в работу очередных тиристоров создает задержку на такой же угол моментов запирания проводящих тиристоров (рис. 14). Вследствие искажения кривой выпрямленного напряжения среднее значение U_d уменьшается. Таким образом, при изменении угла регулирования осуществляется регулирование U_d .

Рис. 14. Временные диаграммы напряжения и тока трехфазного мостового шестипульсового управляемого выпрямителя при и γ = 0

Рис. 15. Временные диаграммы напряжения и тока трехфазного мостового шестипульсового управляемого выпрямителя с учетом явления коммутации

На рис. 15 приведены временные диаграммы напряжения и тока управляемого выпрямителя с учетом коммутационных процессов, которые обусловлены переходом тока с тиристора, заканчивающего работу, на тиристор, вступающий в работу (рис. 15, в) той же тиристорной группы (анодной или катодной). Каждый такой коммутационный процесс начинается в момент подачи отпирающего импульса на очередной в порядке вступления в работу тиристора. Коммутация тока продолжается в течение интервала и протекает так же, как и в схеме неуправляемого мостового выпрямителя.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале (рис. 14, б):

. (10)

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке ( ) на интервале 120° 60° находят из выражения:

. (11)

Р егулировочные характеристики трехфазного мостового выпрямителя, построенные по выражениям (10), (11), приведены на рис. 16.

Наличие угла регулирования α качественно и количественно сказывается на всех показателях преобразователя:

а) искажается форма кривой выпрямленного напряжения;

б

Рис. 16. Регулировочные характеристики трехфазного мостового управляемого

выпрямителя

) снижается среднее значение этого напряжения, причем в режиме непрерывного тока оно определяется по выражению (10), в режиме прерывистого тока – по уравнению (11);

в) ухудшаются условия работы вентилей в непроводящую часть периода за счет увеличения скачка обратного напряжения;

г) уменьшается значение угла коммутации γ за счет того, что этот процесс совершается при более высоком напряжении;

д) ухудшается коэффициент мощности преобразователя.

Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного коммутационного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока или при рабочем токе снятием импульсов управления с тиристоров. Указанные функции можно реализовать выпрямителем, в выпрямительной схеме которого применяются тиристоры и диоды.

Такие выпрямители получили название частично управляемых, несимметричных или тиристорно-диодных выпрямителей.

Схема такого частично управляемого трехфазного мостового шестипульсового выпрямителя со схемой соединения обмоток «звезда – звезда» приведена на рис. 17, а временные диаграммы электромагнитных процессов – на рис. 18.

Технико-экономические показатели управляемых выпрямителей ниже, чем неуправляемых. Это касается условий работы вентилей и трансформаторов, показателей качества электроэнергии и в определенной степени ограничивает их применение. Однако необходимость создания коммутационных, защитных устройств и инверторов приводит к использованию управляемых преобразователей.

Лабораторные работы 9, 10

Исследование МОСТОВых шестипульсовых управляемых

и частично УПРАВЛЯЕМЫх ТРЕХФАЗНых ВЫПРЯМИТЕЛей

Цель работы: изучить особенности процессов, технико-экономические показатели и эксплуатационные характеристики управляемых и частично управляемых трехфазных выпрямителей.

В лабораторных работах 9 и 10 исследуются схемы выпрямителей, приведенные на рис. 13 и 17 соответственно. При выполнении работ следует обратить внимание на регулирование напряжения, влияние характера нагрузки на процессы в схеме и качество электрической энергии. Схемы необходимо исследовать при различном характере нагрузки при трех значениях угла регулирования α, которые задаются преподавателем.

В ходе выполнения работ необходимо сравнить электромагнитные процессы и характеристики исследуемых схем с характеристиками шестипульсовых неуправляемых выпрямителей, сделать выводы о достоинствах и недостатках схем.

Рис. 17. Схема частично управляемого трехфазного мостового

шестипульсового выпрямителя

Управляемые преобразователи имеют параллельно расположенные внешние характеристики, а среднее напряжение на шинах постоянного тока зависит не только от тока нагрузки, но и от значения угла α. Уравнение внешней характеристики управляемого преобразователя в режиме непрерывных токов имеет вид:

(12)

Программа экспериментальных исследований остается прежней, но дополнительно следует снять регулировочные характеристики выпрямителей.

Временные диаграммы напряжения и тока трехфазного мостового

шестипульсового частично управляемого выпрямителя приведены на рис. 18.

Рис. 18. Временные диаграммы напряжения и тока трехфазного мостового

шестипульсового частично управляемого выпрямителя

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

При самостоятельной подготовке к ответам на контрольные вопросы рекомендуется использовать литературу [1 – 8].

1. Поясните принцип формирования кривых тока и обратного напряжения на вентиле преобразователя.

2. Поясните принцип формирования кривых тока и напряжения на выходе выпрямителя.

3. Запишите выражение для определения среднего значения напряжения на шинах постоянного тока выпрямителя. Поясните его физический смысл.

4. Поясните принцип формирования кривых вторичного и сетевого токов выпрямителей.

5. Запишите выражения для определения действующих значений тока вентильной и сетевой обмоток трансформатора. Поясните их физический смысл.

6. Является ли исследуемая схема магнитоуравновешенной? В чем принцип магнитоуравновешенности схем преобразователей?

7. Поясните принцип формирования кривой напряжения на уравнительном реакторе (для сложных схем параллельного типа). Для чего необходим уравнительный реактор в схеме?

8. Поясните принцип формирования тока и напряжения на выходе отдельных секций сложных преобразователей последовательного и параллельного типа.

9. В чем достоинства и недостатки исследуемой схемы в сравнении с ранее изученными? При ответе используйте основные расчетные соотношения.

10. Что такое внешняя характеристика преобразователя? Какие факторы определяют снижение среднего значения напряжения на выходе выпрямителя?

11. Что означают понятия «типовая (расчетная)» и «условная мощность преобразователей»?

12. Поясните физический смысл процесса коммутации. Чем определяется его продолжительность?

13. Что понимается под эксплуатационными характеристиками преобразователей? Как их получить экспериментально на лабораторном стенде, расчетным путем?

14. Какие факторы определяют форму кривой выпрямленного напряжения и потребляемого преобразователем тока?

15. Для каких целей создаются управляемые преобразователи? Как управление преобразователем сказывается на всех его показателях?

16. Что представляет собой внешняя характеристика управляемого преобразователя? Ее физический смысл.

17. Что представляет собой регулировочная характеристика управляемого преобразователя? Ее физический смысл.

18. Какие приборы каких систем используются на стенде для измерения переменного и постоянного тока и напряжения? Назовите пределы их измерения.

Библиографический список

1. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Бурков. М., 1999. 464 с.

2. Засорин С. Н.Электронная и преобразовательная техника / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. М., 1981. 319 с.

3. Барковский Б. С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях / Б. С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.

4. Барковский Б. С. Инвертирование тока на тяговых подстанциях и электровозах / Б. С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1980. 36 с.

5. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций /Б. С. Барковский, Г. С. Магай и др. / Под ред. М. Г. Шалимова. М., 1990. 127 с.

6. Силовые преобразователи тяговых подстанций и электроподвижного состава / Е. Ю. Салита, Г. С. Магай и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 103 с.

7. Забродин Ю. С. Промышленная электроника / Ю. С. Забродин. М., 1982. 496 с.

8. Салита Е. Ю. Элементы электронных схем / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2004. 49 с.

Учебное издание

САЛИТА Евгений Юрьевич,

КОМЯКОВА Татьяна Владимировна,

КОВАЛЕВА Татьяна Владимировна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

для ВЫПОЛНЕНИя ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «эЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

____________________________

Редактор Н. А. Майорова

***

Подписано в печать 29.03.2006. Формат 60  84 ¹/₁₆.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,4. Уч.-изд. л. 2,7.

Тираж 170 экз. Заказ .

**

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

Типография ОмГУПСа

*