Работа №13 исследование шестипульсовых нулевых схем выпрямления

13.1 Цель работы

Изучение теории работы шестипульсовых схем "звезда-шестифазная звезда" и "звезда-две взаимообратных звезды" с уравнительным реактором, экспериментальная проверка основных соотношений между то­ками и напряжениями, изучение внешних характеристик, а также снятие осциллограмм токов и напряжений в элементах схемы.

13.2 Краткие сведения из теории

В настоящее время наибольшее распространение получили шестипульсовые схемы выпрямления. Ниже рассмотрим некоторые из них.

13.2.1 Звезда - шёстифазная звезда

Эта схема является прос­тейшей шестипульсовой схемой выпрямления (рисунок 13.1, а). Она обеспе­чивает шестикратную пульсацию выпрямленного напряжения за период 2 переменного питающего напряжения и тем самым позволяет уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Работа схемы ил­люстрируется линейными диаграммами токов и напряжений в элементах схемы, (рисунок 13.2, а) В данной схеме, в любой момент времени ток проводит один из шести диодов, имеющих в данное время максимальное напряжение на аноде.

Кривая выпрямленного напряжения формируется верхушками напряжения работающих диодов.

Каждая фаза вторичной обмотки и подключенный к ней диод за время 2p проводит ток соответственно ­лишь , т.е. .

Это приводит к плохому использованию диодов и трансформато­ра. Кроме того, из-за несоответствия токов в первичной и вторичной обмотках по стержням трансформатора создается нескомпенсированная намагничивающая сила тройной частоты, из-за чего внешняя характе­ристика данной схемы выпрямления имеет крутой наклон.

13.2.2 Звезда - две взаимообратных звезды с уравнительным реактором

По этой схеме работает большое число выпрямителей тяговых подстанций. Схема состоит из двух коммутирующих трехфазных групп q=3: диоды V1,V3,V5 присоеди­нены к фазам вторичной обмотки прямой, а диоды V2,V4,V6 - к обратной звезде (рисунок 13.1, б).

Схема позволяет осуществить шестипульсовое (m = 6) выпрямление при трехфазном режиме работы. Это означает, что в любой момент вре­мени два диода, имеющих наивысший потенциал на аноде, работают параллельно. Параллельная работа двух диодов, принадлежащих к раз­личным коммутирующим группам, обеспечивается действием уравнитель­ного реактора.

Действие уравнительного реактора, как уравнителя анодных напря­жений ( , параллельно работающих диодов V1,V2 в момент q₁), например, поясняется линейными диаграммами рисунка 13.2, б, где горизонтальной и вертикальной штриховкой показана разница анодных напряжений параллельно работающих фаз в течение 2p. Эта разность и наводится в двух последовательно соединенных обмотках уравнитель­ного реактора, если хотя бы по одной из них течет требуемый намагни­чивающий ток .

Напряжение, воспринимаемое уравнительным реактором , и ток, необходимый для создания этого напряжения , вынесены отдельно на рисунок 13.2, б и имеют тройную частоту по сравнению с питающим нап­ряжением.

Величина намагничивающего тока, при котором обеспечивается па­раллельная работа диодов, обычно невелика (порядка 1% от номиналь­ного). Поэтому, как только ток нагрузки возрастает до критического , диоды начинают работать параллельно. Например, в момент q₁ включаются параллельно диоды V1 и V2, у которых анодные напряжения и наибольшие.

На рисунке 13.3, б, показана мгновенная схема работы диодов V1 и V2 в момент q₁, из которой можно проследить работу уравнительно­го реактора. Во время работы двух фаз возникает сложная цепь из трех контуров. Ток нагрузки замыкается в контуре I и II соот­ветственно через фазу а₁ - диод V1 и фазу c₂ - диод V2. Работающие диоды V1 и V2 создают контур 3 между фазами а₁ и c₂, в котором под действием разности анодных напряжений и потечет переменный уравнительный ток от точки с боль­шим потенциалом к точке с меньшим потенциалом, т.е. по контуру фа­за а₁ - диод V1, диод V2 - фаза c₂ - уравнительный реактор.

Уравнительный ток , протекая через обмотки уравнительного реактора создает ЭДС , которая относительно точки 0 делится пополам . Причем, ЭДС совпадает с меньшим напряжением фазы c₂ и направлена встречно с напряжением фазы а₁. Так как ток создается действием заштрихованной разности анодных напряжений, то ЭДС будет переменной и иметь тройную частоту. Благодаря это­му происходит непрерывное выравнивание анодных напряжений и обеспе­чивается параллельная работа двух диодов.

а)

б)

Рисунок 13.1 – Шестипульсовая нулевая схема выпрямления "звезда-две обратные звезды с уравнительным реактором" (а), "звезда – шестифазная звезда" (б)

На основании рисунка 13.3, б, мгновенное значение выпрямленного нап­ряжения между точками 0-К может быть записано системой двух уравне­ний:

(13.1)

откуда

, (13.2)

Таким образом, мгновенное значение выпрямленного напряжения равно полусумме напряжений параллельно работающих фаз. Так как ЭДС в обмотке 00₁, относительно вывода 0 добавляется или вычитается во всех фазах нечетной звезды (а₁, в₃, с₅), а в обмотке 00₂ – во всех фазах четной звезды (а₄, в₆, с₂ ), то переход тока с одного диода на другой происходит в каждой звезде независимо: соответственно в точках 1, 3, 5 – в нечетной звезде, и в точках 2, 4, 6 – в четной звезде.

Потенциал общего катода К будет изменяться по кривой , и относительно точки 0 выпрямленное напряжение . Таким образом, при поочередной работе диодов происходит выпрямление переменного напряжения .

Так как в одном из диодов течет во встречном направлении, а это возможно лишь при условии, если прямой ток больше встречного, т.е. когда .Ток называется критическим .

При работе схемы возможны четыре режима:

1. Холостой ход. . Уравнительный ток отсутствует, и параллельная работа фаз не обеспечивается. Каждая фаза работает время (как в схеме "звезда-шестифазная звезда"), а выпрямленное на­пряжение изменяется по верхушкам синусоид напряжения вторичных обмо­ток (см. рисунок 13.2, а).

Среднее значение выпрямленного напряжения

. (13.3)

2. . В этом режиме каждый диод работает не­зависимо в течение , а с учетом коммутации . Коммутация тока происходит между соседними диодами, например с V1 на V2, и в цепь коммутации кроме сопротивления фазы оказывается включенным сопротивление уравнительного реактора .

Выпрямленное напряжение изменяется по кривой пилообразной формы (рисунок 13.2, а).

3. , т.е. . Режим условного холостого хода.

Обе группы работают параллельно, а выпрямленное напряжение имеет шестикратную пульсацию (рисунок 13.2, б) и изменяется по верхуш­кам синусоид с амплитуды.

. (13.4)

Среднее значение выпрямленного напряжения условного холостого хода при равно

. (13.5)

Таким образом, при изменении тока выпрямлен­ное напряжение скачком изменяется от 1,35 до 1,17 .Это оказывает вредное влияние на работу электроподвижного состава. Для уст­ранения скачка выпрямленного напряжения трансформаторы оборудуются утроителями частоты.

4. . В этом режиме обеспечивается параллельная работа двух диодов разных звезд, но в момент коммутации тока с диода, заканчивающего работу, на диод, вступающий в работу, в течение уг­ла g одновременно работают три диода.

Например, в точке 3 при переходе тока с V1 на V3 одновременно работают V1, V3 и V2, но в контур коммутации уравнительный реактор не входит (рисунок 13.2, б).

Как и в ранее рассмотренных схемах, коммутация тока создает коммутационное падение напряжения, что вызывает падающий характер внешней характеристики .

Внешняя характеристика выпрямителя при описывается уравнением

. (13.6)

Внешняя характеристика выпрямителя может быть рассчитана так­же по формуле (38).

Рисунок 13.2 – Линейные диаграммы напряжения вторичной обмотки , выпрямленного напряжения и тока , токов вторичной и первичной обмоток трансформато­ра, тока и обратного напряжения диода шестипульсовой схемы "звезда- шестифазная звезда" (а) и "звезда-две обрат­ные звезды с уравнительным реактором" (б) при .

На рисунке 13.3, а приведена внешняя характеристика выпрямителя “две обратные звезды с уравнительным реактором”.

а) б)

Рисунок 13.3 – Внешняя характеристика выпрямителя “ звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором” (а), мгновенная схема работы диодов V1 и V2 в момент времени q₁ (б).

Работу отдельных диодов, фаз вторичной и первичной обмоток трансформатора при можно проследить по линейным диаграм­мам рисунка 13.2, а), при - по рисунку 13.2, б).

Сплошной линией на рисунке 13.2, б) показаны токи и напряжения в элементах схемы для реального трансформатора с учетом угла коммутации g, а пунктиром показаны изменение их формы для идеального транс­форматора (g= 0).

Из диаграммы тока нагрузки видно, что при и мгновенной коммутации, каждая звезда (диодная группа) пропускает ток , а в пределах каждой группы мгновенный ток одного диода пропускается в течение . Переход тока в пределах каждой группы осуществляется в точках пересечения поло­жительных полуволн синусоиды напряжения соответствующих звезд. Ток одной фазы вторичной обмотки .

Каждая фаза первичной обмотки работает за время 2p дважды. На­пример, фаза А пропускает ток при работе V1 (фазы а₁) и V4 (фазы а₄), поэтому , а .

Принимая во внимание приведенную выше продолжительность работы диодов и фаз, в таблице 5.2 приложения 5 даны основные соотношения между токами, напряжениями и мощностями для шестипульсовых схем выпрямления.