Работа трехфазного мостового выпрямителя: принцип, схемы, характеристики

Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.26) широко используется в устройствах большой мощности.

Опишем работу выпрямителя при подключении его к активной (рис. 4.26, а) и активноиндуктивной (рис. 4.26, б) нагрузке. Изучаемый выпрямитель подобен рассмотренному однофазному мостовому, но получает питание от трехфазного источника напряжения, содержит 6 тиристоров, представляет собой достаточно сложную систему и вследствие этого более труден для анализа.

Так как тиристоры Th Т2 и Т3 соединены катодами, принято говорить, что они составляют катодную группу тиристоров. Тиоисторы 74, Т5 и Г6, соединенные анодами, составляют анодную группу.

В однофазном мостовом выпрямителе каждый тиристор может проводить ток в паре с единственным тиристором и таких пар всего две. В трехфазном мостовом выпрямителе каждый тиристор может проводить ток в паре с одним из двух тиристоров противоположной группы. К примеру, тиристор Г, может проводить ток или в паре с тиристором Г5, или в паре с тиристором Г6. Вследствие этого имеется 6 пар тиристоров, совместно проводящих ток нагрузки.

Основная трудность при анализе выпрямителя состоит в том, чтобы определить, какая пара тиристоров находится во включенном состоянии или может в нем находиться (т. е. может быть включена импульсами управления). Подобные проблемы типичны для всех электронных устройств, содержащих нелинейные и, в частности, работающие в ключевом режиме элементы. При анализе таких устройств очень полезно выявить их характерные особенности, сужающие круг возможных сочетаний режимов работы элементов и упрощающие определение токов и напряжений.

Укажем такие особенности для рассматриваемой схемы.

— Не могут быть включены два тиристора одной группы (так как их проводящее состояние обеспечило бы протекание под действием соответствующего линейного напряжения очень большого обратного тока одного из тиристоров, что невозможно для исправного прибора).
— Если имеется пара включенных тиристоров, то напряжение ивых равно определенному линейному напряжению, причем возможны 6 вариантов:

Например, при включенных тиристорах Г, и Т5 ивых = = иаЬ а при включенных тиристорах Т4 и Т2 ивых = — иаЬ

Пусть в некоторый момент времени при включенной одной паре тиристоров ивых = и{ Тогда не может быть включена другая пара, для которой ивых = и2ии2< и{ (иначе это соответствовалооы включению тиристора, находящегося под обратным напряжением, что невозможно). Отсюда следует, что в рассматриваемой схеме исключено скачкообразное уменьшение напряжения ивых (ордината точки временной диаграммы напряжения ивых не может совершать скачки вниз). Но скачкообразное увеличение напряжения ивых вполне возможно.

Второе следствие этой особенности рассматриваемого выпрямителя состоит в том, что в случае, когда все тиристоры непрерывно получают импульсы управления (и таким образом выполняют функции диодов), в некоторый момент времени во включенном состоянии будет находиться та пара приборов, которая обеспечит наибольшее значение напряжения ивых (иначе, по крайней мере, на одном тиристоре этой пары создавалось бы существенное прямое напряжение).

Если тиристоры работают в режиме диодов (или если анализируется неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, кратко рассмотренный выше), для выявления включенных в заданный момент времени приборов достаточно:

1. по временным диаграммам выбрать из трех (uab, иЬс, иса) одно линейное напряжение, имеющее максимальное по модулю значение;
2. выделить в трехфазной схеме однофазную мостовую, питающуюся выбранным напряжением;
3. определить два прибора (из четырех), которые открываются выбранным напряжением.

Пример использования алгоритма.

Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом угле управления. В рассматриваемом случае тиристоры выполняют функции диодов (и результаты анализа применимы также к неуправляемому выпрямителю). Рассмотрим временные диаграммы (рис. 4.27), характеризующие работу схемы. Через Um обозначено амплитудное значение линейных напряжений uab, иЬс, иса (общим обозначением всех линейных напряжений является иЛ). Ось абсцисс разделена на отрезки, каждому из которых присвоен номер, обозначаемый через л.

На временной диаграмме напряжения ивых для каждого отрезка указано совпадающее с ним линейное напряжение, а на временной диаграмме тока ieblx — совпадающий с ним ток включенной пары тиристоров. Обратимся к отрезку с номером 1. На этом отрезке максимальным по модулю является напряжение иЬс

Однофазный выпрямитель, питающийся напряжением иЬс, образуют тиристоры Т2, Г3, Г5, Т6. Так как иЬс < О, открыты тиристоры Т4 и Т5 причем аналогично выполняется анализ для других отрезков.

Частота пульсаций (частота основной гармоники пульсаций) напряжения ивых в 6 раз больше частоты напряжения питающей сети, что сильно облегчает их фильтрацию. Приведем основные соотношения, характеризующие рассматриваемый режим. Среднее значение Ucp выходного напряжения:

где U — действующее значение линейного напряжения.

Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на активную нагрузку

Угол управления а для каждого тиристора отсчитывается от момента включения соответствующего диода неуправляемого выпрямителя (по существу это справедливо и для рассмотренного однофазного мостового, и для других управляемых выпрямителей).
Как следует из последнего выражения, при а = 2л/3
Используя полученные выражения, изобразим регулировочную характеристику графически (рис. 4.28, сплошная линия).
Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при угле управления я/3 рад (60 эл. град.) (рис. 4.29). При построении временных диаграмм предполагалось, что индуктивность LH достаточно велика и ток нагрузки практически постоянный. Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Наличие индуктивности обеспечивает режим непрерывного тока.

Отсюда следует, что при а = л/2, Ucp = 0. Дадим графическое изображение регулировочной характеристики (рис. 4.28, пунктир).

pue8.ru

3ф выпрямители

ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ВЫВОДОМ ОТ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ ТРАНСФОРМАТОРА

Рассмотрим такую схему с соединением вторич­ных обмоток трансформатора в звезду (рис. 1, а). При =0 она ра­ботает как неуправляемый выпрямитель. Каждый вентиль работает 1/3 периода, когда в обмотке, к которой он подключен, имеет место наивысшее напряжение (другие вентили в этот момент заперты, так как находятся под обратным напряжением). Переход тока от вентиля к вентилю осуществляется в момент пересечения кривых фазных на­пряжений, выпрямленный ток протекает через нагрузку постоянно (пульсирующий).

Рис. 1. Трехфазный УВ с выводом от сред­ней точки трансформатора (а) и с соедине­нием обмоток в зигзаг (б)

При работа схемы в большей степени зависит от характера нагрузки. Диаграммы напряжений и токов при чисто активной нагруз­ке для разных углов регулирования приведены на рис. 2. При процесс отпирания очередного тиристора (например, VD1, включенного в фазу а) происходит до того момента, когда напряжение в предыдущей фазе с еще не снизилось до нуля. В результате ранее работавший тиристор VD3 закроется, так как напряжение в фазе с меньше, чем в фазе а, ток нагрузки перейдет из фазы с в фазу а, но до нулевого значения не упадет, т. е. останется непрерывным. Критичес­кая точка — .

При изменении в этих пределах регулировочная характеристика описывает­ся уравнением

,

где .

Рис. 2. Диаграммы работы трехфазного нулевого УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

При сигнал на от­крытие очередного тиристо­ра подается после того, как естественным образом за­кроется предыдущий, т. е. в кривой выпрямленного тока появляются паузы, где

I_d=0. Длительность прохождения тока через каждый вентиль ста­новится меньше трети периода. В этом случае регулировочная характеристика будет описываться уравнением

,

предельный угол регулирования на активную нагрузку составляет 150°.

При соединении вторичных обмоток в звезду в каждой из них ток протекает только в одном направлении. В сердечниках трансформато­ра возникает явление подмагничивания постоянной составляющей вторичного тока (потоки вынужденного подмагничивания). Это может привести к насыщению магнитопровода, увеличению намагничивающе­го тока и появлению дополнительных нелинейностей в кривой тока нагрузки. Для устранения этого явления приходится либо увеличи­вать сечение магнитопровода, либо включать первичную обмотку в треугольник (при этом увеличивается ток в ней), либо использовать соединение вторичной обмотки в зигзаг (рис. 1, б).

При таком включении токи по секциям каждой обмотки протекают в разных направлениях, в результате среднее значение постоянной составляющей тока в каждой обмотке будет равно нулю. Но вторичное напряжение уменьшится, так как две полуобмотки будут включены не последовательно, а под углом 120°:

.

Для получения ранее запланированной мощности трансформатора его габариты должны быть больше на 13% или .

При работе на индуктивную нагрузку (рис. 3) каждый вентиль работает 1/3 периода, ток в нагрузке непрерывный. В кривой выпрям­ленного напряжения U_d при появляются участки отрицатель­ного напряжения, поэтому среднее его значение уменьшается:

и .

Обратное напряжение на вентиле может быть определено графи­чески. Например, для вентиля VD1 (фаза а) оно определяется из рис. 3 как разность между кривой U_d, формируемой участками синусоид U_b и U_c, и обратным напряжением U_a. Его максимальное зна­чение . Прямое напряжение на вен­тиле .

При активной нагрузке и для

формула та же, для .

Основные достоинства этой схемы — минимальное количество силовых элементов (тиристоров) и самая простая структура системы управления (СУ). СУ может подключаться между управляющими электродами тиристоров и их общим катодом и должна обеспечивать одиночные управляющие сигналы. Несмотря на необходимость применения силового трансфор­матора с определенными свойствами, такие трехфазные УВ получили широкое распространение.

Рис. 3. Диаграмма работы трехфазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Такие УВ наи­более широко распространены в области средних и больших мощнос­тей, что связано с их высокими энергетическими и эксплуатацион­ными характеристиками. Вентили схемы (рис. 4) образуют две группы: катодную (

VD1, VD3, VD5) и анод­ную, и нагрузка оказывается подключенной к двум фазам вторичной обмотки трансфор­матора. Можно также считать, что нагрузка получает питание от двух последовательно включенных нулевых трехфазных схем вы­прямления.

Особенностью схемы управления таким УВ является то, что она должна обеспечивать подачу сигналов управления при включении схемы, причем в некоторых случаях — одно­временно на два тиристора из разных групп. При работа УВ на активную и индуктив­ную нагрузку одинакова и полностью совпа­дает с режимом неуправляемого выпрямите­ля; при

имеют место различия.

На рис. 5 показаны диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную на­грузку при = 30, 60 и 90°. Как видно из диаграмм, при кривые U_d и i_d непре­рывны (угол отсчитывается от точки пересечения фазных напряжений). По мере увеличения значения U_d уменьшаются по закону

,

где

.

Рис. 4. Трехфазный мостовой УВ

Рис. 5. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

Угол является критическим и при дальнейшем его увеличе­нии в кривых U_d и i_d появляются паузы, т. е. наступает режим работы УВ с прерывистым выпрямленным током (при активной нагрузке!). Для обеспечения этого режима на управляющие электроды тиристоров следует подавать либо сдвоенные импульсы с интервалом 60°, либо удлиненные шириной не менее 60° (показано на диаграмме для

). Например, для того чтобы открыть тиристор VD1 в момент t₁ и обеспе­чить цепь тока, необходимо подать такой же сигнал на VD6. После того как разность мгновенных напряжений U_2a и U_2b станет равной нулю (t₂), оба тиристора закроются, а в момент времени t₃ должен вступить в работу VD2, который откроется только при наличии повторного уп­равляющего сигнала на VD1 или при длительности его более 60°.

Для режима прерывистых токов

.

При работе трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку режим работы существенно изменяется (рис. 6). Так, ток в нагрузке остается (при данном

) неизменным, каждый тиристор работает 1/3 пе­риода, но переход тока с одного тиристора на другой происходит не в момент равенства фазных напряжений, а со сдвигом на угол . Токи во вторичных, а следовательно, и в первичных обмотках представляют собой прямоугольные импульсы длительностью 1/3 периода одного и столько же другого направления. Сигналы управления подаются на тиристоры в соответствии с графиком 6, б, но при запуске схемы необходимо выполнить условие одновременной подачи сигнала на оба тиристора. С увеличением уменьшаются средние значения U_d и I_d, но при переход U_d с кривой одного линейного напряжения на кри­вую другого происходит в пределах положительной полярности участ­ков этих линейных напряжений, поэтому кривые U_d и его среднее значение одинаковы при активной и индуктивной нагрузках.

Рис. 6. Диаграмма работы трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку

При в кривой U_d (на рис. 7, показаны кривые линейных напряжений, так как именно они формируют напряжение на нагрузке) появляются участки с отрицательным напряжением, происходит более интенсивное снижение U_d. При эти площадки равны между собой и U_d=0. Поэтому для индуктивной нагрузки , а регулировочная характеристика трехфазной мостовой схемы имеет вид, показанный на рис. 8 (кривая а).

Рис. 7. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ при различных углах регулирования

Рис. 8. Регулировочные ха­рактеристики трехфазного УВ

На диаграмме (рис. 6, г) показан график изменения прямого и обратного напряжения на одном из вентилей. Эти напряжения не мо­гут превышать , т.е. определяются линейным напряжением вторичной обмотки трансформатора. Следует отметить, что в принципе данная схема может применяться без специального трансформатора, получая питание непосредственно от сети.

При работа схемы возможна, но уже в инверторном режиме, когда происходит преобразование энергии источника постоянного тока, включенного вместо нагрузки, в энергию переменного тока, отдаваемую в питающую сеть.

В некоторых случаях целесообразно применение трехфазного мос­тового УВ с неполным количеством управляемых вентилей, например, если в схеме на рис. 4 VD1, VD3, VD5 — тиристоры, a VD2, VD4 и VD6 — обычные диоды. Такая схема может рассматриваться как по­следовательное включение трехфазных нулевых управляемого и не­управляемого выпрямителей. При работе на активную нагрузку при имеет место режим непрерывного тока, при — прерывис­того; регулировочная характеристика описывается уравнением

.

Кратность пульсации выпрямленного напряжения равна 3, что требует или при­менения более мощных фильтров, или ог­раничения угла ; по сравнению с пол­ностью управляемым выпрямителем воз­растает третья гармоника в кривой U_d.

При индуктивной нагрузке для данно­го I_d=const, регулировочная характе­ристика имеет тот же вид, но при катодная группа вентилей переходит в инверторный режим. В несимметричной схе­ме ухудшается коэффициент нелинейных искажений k_н.и, но несколько улучшает­ся .

Диаграммы работы такой схемы для = 30, 60 и 90° приведены на рис. 9.

Рис. 9 Диаграмма работы трехфазного мостового УВ с неполным коли­чеством управляемых вентилей

ШЕСТИФАЗНЫЕ СХЕМЫ

В судовой преобразовательной технике такие схемы пока не применяются. Но в силу того, что по сравнению с мосто­вой схемой прямое падение напряжения на вентилях у них вдвое меньше, а частота пульсаций в два раза больше, а также амплитуда их в два раза меньше, чем у трехфазной нулевой схемы, эти выпря­мители целесообразно использовать для получения хорошо сглажен­ного постоянного тока относительно низкого напряжения (на уровне 10 …24 В).

Эти схемы выполняются как с уравнительным реактором, так и без него. Схема без уравнительного реактора показана на рис. 10.

Рис. 10. Шестифазный управляемый выпрямитель без уравнительного реакто­ра (о) и диаграмма его работы (б)

Вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде шестифазной звезды с нулевым выводом. В любой момент времени открыт один вентиль, потенциал анода которого выше чем у других. Коммутация вентилей происходит при в моменты пересечения кривых фазных напряжений (или позднее на угол ). Кривая выпрямленного на­пряжения — огибающая синусоид фазных напряжений: .

Максимальное обратное напряжение на вентилях может быть опреде­лено графически (рис. 10, б) для VD1 и :

;

;

.

Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в тре­угольник, иначе в его сердечниках возникают нескомпенсированные МДС, пульсирующие с тройной частотой и вызывающие потоки вынуж­денного намагничивания.

Шестифазная схема с уравнительным реактором показана на рис. 11. Она представляет собой два трехфазных нулевых УВ, рабо­тающих на общую нагрузку через уравнительный реактор.

Питание схемы осуществляется от такого же трансформатора, имеющего по две вторичных обмотки на каждом сердечнике. Если счи­тать намагничивающий ток реактора равным нулю, то , практически такой режим имеет место начиная с I_кр=1…2% I_ном.

Рис. 11. Шестифазный УВ с уравнитель­ными реакторами (а) и диаграмма его ра­боты (б)

Если считать, что в нагрузке среднее значение постоянного тока является суммой токов, создаваемых каждой половиной схемы, то переменные составляющие прикладываются к уравнительному реак­тору. На диаграмме (рис. 11, б) показаны огибающие напряжения U_a , U_b , U_c левой и U_a’, U_b’, U_c’ правой частей схемы; заштрихован­ная область позволяет определить напряжение U_k на реакторе; кривая напряжения на нагрузке (толстая линия) может быть получена как разность .

Для этой схемы

;

;

;

(, индуктивная нагрузка).

При , растет амплитуда напряжения на реакторе (при — в 3,5 раза) и соответственно его габаритные размеры.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

Для мощных выпрямительных устройств (управляе­мых и неуправляемых), рассчитанных на относительно высокие на­пряжения и токи, в частности для гребных электрических установок, применяют 12-пульсные схемы, которые состоят из двух мостовых трехфазных выпрямителей, включенных последовательно или парал­лельно. В первом случае напряжение на нагрузке является суммой вы­ходных напряжений мостовых схем, во втором — суммируются токи. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения питание этих мостов производится или от вторичных обмоток одного трансформато­ра, но включенных по разным схемам (рис. 12, а), или от двух обмо­ток одного синхронного генератора СГ, сдвинутых в пространстве на (рис. 12, б).

Рис. 12. Последовательное (а) и параллельное (б) включение выпрямительных схем

Первая схема, кроме различного включения обмоток, требует соотношения числа их витков , что дает на выходе мостов одинаковое напряжение и . Ток нагрузки проте­кает последовательно через оба моста, т. е. через четыре вентиля, что вызывает дополнительные потери. Сложение двух выпрямленных на­пряжений, каждое из которых имеет 6-кратную пульсацию, но сдви­нутую на 30°, дает в результате 12-кратную пульсацию со значитель­но уменьшенной амплитудой: q = 2/(m² — 1) = 0.014.

При использовании схемы с уравнительным реактором УР происхо­дит сложение токов в нагрузке при равенстве выходных напряжений мостов. За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряже­ний U_d1 и U_d2 не равны, и разница между ними прикладывается к реак­тору. Качество напряжения (коэффициент и частота пульсаций) здесь такое же, как при последовательном включении мостов, a q даже не­сколько меньше за счет реактора. Недостатком схемы является нали­чие реактора, который выполняет ту же функцию, что и в шестифазной нулевой схеме, но так как напряжение на уравнительном реакторе имеет частоту , то амплитуда напряжения на нем и габаритная мощность его невелика.

Такая схема имеет более высокий КПД, так как потери в вентилях меньше, чем при последовательном включении мостов. Если в мостах установлены управляемые вентили, то их работа аналогична работе мостовой схемы при индуктивной нагрузке, но оба моста при парал­лельном включении управляются одновременно, а при последователь­ном — по произвольному закону.

studfile.net

Однофазные выпрямители

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный УВ с выводом от средней точки вторич­ной обмотки трансформатора.

Схема (рис. 1) отличается от схемы неуправляемого выпрямителя только тем, что вместо неуправляемых вентилей здесь используются управляемые (обычные тиристоры) с соответствующей схемой управления.

Рис. 1. Однофаз­ный управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу схемы на чисто активную нагрузку: S1 замкнут, S2 разомкнут. Если на входе выпрямителя имеет место положитель­ная полуволна напряжения сети (на рис. 1 полярности напряже­ния без скобок), то в интервале 0…t₁ (рис. 2, а) оба тиристора VD1 и VD2 закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. Тиристор VD1 находится под прямым напряжением, a VD2 — под обратным (рис. 2, д).

В момент времени t₁ от схемы управления СУ на тиристор VD1 поступает управляющий импульс, тиристор скачком открывается, напряжение на нем падает до нуля (прямым падением напряжения на тиристоре в большинстве случаев можно пренебречь, так как ) и все напряжение половины вторичной обмотки трансфор­матора прикладывается к нагрузке. Естественно, ток в активной на­грузке будет меняться до конца полупериода пропорционально на­пряжению.

Рис. 2. Диаграмма работы однофазно­го нулевого УВ на активную нагрузку

В момент времени напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора падают до нуля и VD1 закрывается. Так как никаких специальных мер для запирания тиристора не принимается, такой процесс называется естественной коммутацией.

В момент t₂ подается отпирающий импульс на тиристор VD2. Он включается, и в нагрузке формируется такой же сигнал, как и при включении VD1. Таким образом, через нагрузку будет протекать ток, форма которого показана на рис. 2, г, а среднее значение напряжения опре­деляется заштрихованными площадками. Оче­видно, что чем раньше в полупериоде будет подан управляющий сигнал, тем больше будет среднее значение тока и напряжения в нагрузке, и наоборот.

Если угол управления , режим работы УВ не отличается от работы неуправляемого выпрямителя и

Это максимальное значение . При как видно из диаграммы (рис. 2), .

Зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Так как

,

то,

,

где (для ).

На рис. 3 приведена регулировочная характеристика однофаз­ного УВ для L = 0. Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме (с учетом коэффициента трансформации) ток во вторичной обмотке и, если , имеет паузы в интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно U₁ даже при активной нагрузке.

Рис 3. Регулировочная ха­рактеристика однофазного УВ при работе на активную и индуктивную нагрузку

Прямое напряжение на тиристоре изменяется по закону U₂ до мо­мента отпирания_тиристора, и максимальное значение может достиг­нуть . Обратное напряжение запертого тиристора (см. рис. 2, д) меняется по такому же закону до момента отпирания второго, а затем к первому прикладывается обратное напряжение обеих половин вторичной обмотки, и максимальное значение может достичь величины

.

Итак, характерными качествами УВ, работающего на активную нагрузку, являются предельный угол регулирования и индуктивный характер первичного то­ка при .

Индуктивная нагрузка УВ (на рис. 1 S1 и S2 разомкнуты) вносит существенные отличия в его работу. Так, если принять индуктивность достаточно большой (), то ток нагрузки можно (при дан­ном ) считать постоянным, практически полностью сглаженным (рис. 4, в), а ток, протекающий по вторичным обмот­кам и через вентили, состоящим из пря­моугольных отрезков (рис. 4, г), ампли­туда которых равна I_d.

Рис. 4. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

Так как включение очередного тири­стора, например VD2, происходит с запаз­дыванием на угол а по отношению к мо­менту перехода вторичного напряжения через нуль, а ток через работающий вен­тиль должен протекать до тех пор, пока не включится VD2, то возни­кают интервалы времени, когда ток (под действием электромагнит­ной энергии, запасенной в дросселе) протекает при отрицательном напряжении на обмотке, т.е. в кривой напряжения U_d(рис. 4, б) появляются участки напряжения отрицательной полярности. Иначе говоря, среднее значение напряжения U_d при данном будет меньше. При площади фигур, описываемые кривой U_d, положительной и отрицательной полярности будут одинаковыми, т. е. U_d будет равно нулю. Регулировочная характеристика УВ будет описываться выра­жением

откуда , (рис. 3).

Потребляемый от сети ток i₁ состоит из прямоугольных импульсов с амплитудой ( — коэффициент трансформации), его первая гармоника сдвинута в сторону отставания на угол отно­сительно напряжения питания (рис. 4, а).

Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения, равного , т. е. сумме напряжения на обеих обмотках. Так как один тиристор постоянно включен, максимальное обратное напряжение (для ), как и максимальное прямое (для ), равно .

При работе УВ данного вида на активно-индуктивную нагрузку при меньших значениях индуктивности () первичный и вто­ричный токи будут иметь вид отрезков, близких к синусоиде, но ток будет достигать нулевого значения при угле, большем , но меньшем (при определенных соотношениях и ), т. е. ток i_d будет пре­рывистым, форма U_d — промежуточной между рассмотренными выше, а регулировочная характеристика для такой нагрузки будет распо­лагаться между характеристиками для L = 0 и L =.

Как было уже упомянуто, первая гармоника входного тока будет отставать от входного напряжения даже при активной нагрузке, а при индуктивной и больших углах регулирования становится очень низким. Это приводит к потреблению от сети значительной реактивной мощности, увеличению потерь в обмотках и сети, дополни­тельной загрузке генератора и т. д. Несколько ослабить отрицательные последствия этого явления можно, применив так называемый нулевой диод VD0, для чего необходимо включить S2 (см. рис. 1). Следует иметь в виду, что применение VD0 имеет смысл только при индуктив­ной нагрузке.

Диаграмма работы такой схемы приведена на рис. 5. При поло­жительном полупериоде вторичного напряжения ток через W1 проте­кает с момента включения VD1, но как только напряжение U₂ спадает до нуля, тиристор VD1 запирается, а контур тока замыкается через VD0 (L—VD0-R_н), т.е. вторичная обмотка не работает. Этот режим продол­жается до момента включения VD2, затем ток с VD0 переходит на VD2 и процесс повторяется. Кривые напряжения на тиристоре аналогичны кривым при работе данной схемы на чисто активную нагрузку (см. рис. 2). Так как в кривой тока вторичных обмоток появляются паузы (пока ток нагрузки протекает через нулевой диод), то точно такую же форму с учетом коэффициента трансформации будет иметь и ток i₁. Следовательно первая гармоника входного тока будет теперь сдвинута по отношению к U₁ на угол (вместо ), т. е. схемы будет теперь выше ().

Рис. 10.5. Диаграмма работы однофазного УВ с нулевым диодом

Регулировочная характеристика УВ с нулевым диодом совпадает с характеристикой схемы для активной нагрузки, т. е.

.

Таким образом, применение нулевого диода позволяет уменьшить нагрузку на тиристоры (в особенности при больших ) и поднять выпрямителя.

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

Такая схема (рис. 6) включает четыре тиристора; вторичная обмотка не имеет отвода от средней точки, схема управления должна обеспечивать одно­временное открытие двух тиристоров, расположен­ных в противоположных плечах моста. Диаграмма работы схемы на активную нагрузку приведена на рис. 7, на активно-индуктивную и индуктив­ную — на рис. 8.

Рис. 6. Однофаз­ный мостовой УВ

Рис. 7. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активную нагрузку

Рис. 8. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активно-индуктивную нагрузку

Режим работы и регулировочные характеристи­ки мостового УВ с полным числом управляемых вентилей аналогичны таковым для УВ с нулевым выводом. Но есть одно отличие: для нулевой схе­мы кривая напряжения на вентилях формируется из участков синусоиды амплитудой , a для мостовой схемы — , т. е. вентили можно выбирать на вдвое меньшее обратное напряжение. Правда, потери на прямое падение напряжения у мостовой схемы вдвое больше. Все остальные ха­рактеристики указанных схем и диаграмма работы идентичны.

В некоторых случаях возможно применение мостового УВ с не­полным числом управляемых вентилей, например, если в схеме (см. рис. 6) оставить VD1 и VD3 управляемыми (тиристоры), а в ка­честве VD2 и VD4 поставить неуправляемые диоды. Режим работы схемы будет аналогичен рассмотренному режиму схемы УВ с нулевым выводом и VDO. Если , т.е. i_d идеально сглажен, то схема рабо­тает следующим образом (см. рис. 5). С задержкой управляющим сигналом отпирается тиристор VD1, на интервале ток нагрузки протекает через обмотку, вентили VD1 и VD2 и Z_н. В момент поляр­ность напряжения U₂ меняется на обратную, диод VD2 запирается, но, так как ток прекратиться не может (), то он протекает через тот же тиристор VD1 и открывшийся диод VD4, цепь нагрузки закорочена, источником питания является индуктивность, трансформатор не ра­ботает. В момент времени отпирается тиристор VD3, тогда VD1 сразу же закрывается, так как к нему прикладывается обратное напря­жение, и работает вторая цепь схемы W—VD3-R_dL—VD4. Далее процесс повторяется.

Таким образом, на интервале, равном углу регулирования , тока через вторичную, а следовательно первичную обмотку, нет, угол сдвига первой гармоники входного тока , в кривой U_dотсут­ствуют участки напряжения U₂ отрицательной полярности.

Возможно использование и несколько иной схемы: управляемые вентили VD1 и VD4, а неуправляемые — VD2 и VD3. Характер работы схемы сохранится, только изменятся интервалы проводящих состоя­ний вентилей.

Как указывалось выше, однофазные выпрямители в силовой тех­нике практически не применяются, поэтому далее будут рассмотрены трех- и шестифазные схемы, однако к однофазным придется еще неод­нократно возвращаться для пояснения ряда эффектов, возникающих в управляемых выпрямителях.

studfile.net

5.2. Трехфазные выпрямители

В трехфазном однотактном выпрямителе с активной на­грузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент време­ни работает вентиль фазы, напряжение которой является наи­большим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинако­вый потенциал, практически равный потенциалу анода откры­того вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вен­тилей отрицательны (рис. 5.2, а).

Точки а, b, с (см. рис. 5.2, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток венти­лей.

В промежутке времени от а до б работает вентиль V1 фа­зы а, так как напряжение фазы U_а при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V2 фазы b, так как напряжение U_в становится наиболее положительным, и т. д.

Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

. (5.1)

Коэффициент пульсации:

g= 2/ (km)² -1 =0,25. (5.2)

Однотактные трехфазные выпрямители применяют в вы­прямителях средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные об­мотки трансформатора можно соединять только в звезду, поз­воляет соединять обмотки трансформатора как в звезду, так и в треугольник.

Рис. 5.2. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) трехфазно­го однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку

Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз (рис. 5.3, а, б). Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, то смена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.

Рис. 5.3. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б) двухтактного трехфазно­го выпрямителя по мостовой схеме Ларионова и принципиальная схема (в), временные диаграммы выпрямителя с уравнительным реактором

При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямлен­ное напряжение

, (5.3)

где U_2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U_2ф— фазное напряжение вторичной обмотки.

Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пуль­сации 

m = 2 (σ² — 1) =0,057.

Обратное напряжение U_обр = 1,045 U₀.

Среднее значение тока через вентиль I_ср=I₀/3.

Полная мощность трансформатора P_тр=1,05Р₀.

По всем показателям схема Ларионова превосходит рас­смотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.

Для мощных выпрямителей необходимо учитывать индук­тивное сопротивление рассеяния Х_L, которое вызывает уменьше­ние выпрямленного напряжения за счет длительности коммута­ции у, что следует учитывать при проекти­ровании выпрямителей по схеме Ларионова и выбирать для нее силовой трансформатор с возможно меньшим индуктивным сопротивлением рассеяния X_L.

Рассмотрим схему с уравнительным реактором. В ней число фаз выпрямления, так же, как и в схеме Ларионова, m = 6. Схема выпрямителя приведена на рис. 5.3, в. Она представ­ляет собой два трехфазных выпрямителя со средней точкой, работающих параллельно через уравнительный реактор УР на общую нагрузку. Питание схемы осуществляется через трех обмоточный транс­форматор, на каждом стержне которого расположено по две одинаковые вторичные обмотки. При этом в выпрямителе 1 вторичные обмотки подключены к анодам вентилей началами, а в выпрямителе 2 обмотки подключены к анодам вентилей концами. В результате соответствующие фазные напряжения двух вторичных обмоток трансформатора смещены относитель­но друг друга на 180°.

Уравнительный реактор представляет собой катушку с замк­нутым магнитопроводом, имеющую две обмотки (рис. 5.3, в).

Схема с уравнительным реактором имеет ряд достоинств по сравнению с мостовой схемой:

— вдвое меньше среднее значение тока вентилей и меньше его действующее значение;

— более высокий КПД при малых значениях выходных на­пряжений, так как ток протекает последовательно только че­рез один вентиль;

— удобное охлаждение вентилей, которые могут быть установ­лены на один общий охладитель.

Из временной диаграммы видно, что напряжение на нагрузке пульсирует с шестикратной частотой по отношению к частоте сете­вого напряжения.

Среднее значение выходного напряжения

. (5.4)

В результате получаем такое же соотношение, как и для трехфаз­ной схемы с нулевым выводом.

Среднее значение тока нагрузки является суммой средних значе­ний токов каждой составляющей схемы: I_d = I_d1 + I_d2, но каждый вентиль трехфазной схемы проводит ток в течение третьей части периода.

Временные диаграммы тока нагрузки i_d, выходных токов каждого из выпрямителей i_d и i_a, а также ток одного из вентилей i_a показа­ны на рис. 5.4, в, г. Изменение напряжения на уравнительном реакторе и_у и пере­менная составляющая тока (уравнительного тока I_ур) показаны на рис. 5.4, б.

Рис. 5.4. Временные диаграммы токов нагрузки

Как отмечалось выше, напряжение на U_УР является разностью мгновенных значений фазных напряжений (заштрихованные участки на рис. 5.4, а).

Это напряжение изменяется по синусоидальному закону с трехкратной частотой по отношению к питающему напря­жению. Из временных диаграмм следует:

U_УРmax. (5.5)

Под действием этого напряжения протекает уравнительный ток, значение которого ограничено индуктивным сопротивлением реак­тора (на схеме контур этого тока показан стрелками). В контур этого тока не входит нагрузка. Уравнительный ток отстает от напряжения на реакторе на угол π/2 и его амплитуда:

I_УРmax =, (5.6)

где fc — частота питающего (сетевого) напряжения; Х_р— индук­тивное сопротивление УР; L_yp — индуктивность реактора.

Этот ток накладывается на ток вентиля, значение которого опре­деляется током нагрузки, он будет пульсировать на интервале прово­димости вентиля даже при идеальном сглаживании тока нагрузки (рис. 5.4, г).

В первичную обмотку трансформатора трансформируется ток, протекающий через вторичные обмотки, находящиеся на одном и том же стержне магнитопровода. В результате ток вторичной обмотки трансформатора повторяет форму тока вентиля (рис. 5.4, г), тогда как импульс первичного тока состоит из двуполярных импульсов с длительностью каждого из них, равной 2π/3 (рис. 5.4, д).

Расчеты показывают, что типовая мощность УР Р_ур = 0,071 P_d..

Уравнительный реактор обычно располагается в одном кожухе с сете­вым трансформатором, поэтому типовая мощность сетевого транс­форматора Рт совместно с типовой мощностью УР

P_T = (l,26 + 0,071) P_d..

Сравнивая рассматриваемую схему с трехфазной схемой с нуле­вым выводом, можно отметить следующие особенности:

• выходное напряжение имеет шестикратные пульсации, тогда как каждая из составляющих схем работает в трехфазном режиме с дли­тельностью проводящего состояния вентилей X = 120°;

• хорошо используются вентили, так как они проводят ток в тече­ние 1/3 периода;

• хорошо используется трансформатор, так как его типовая мощ­ность близка к единице;

• в трансформаторе отсутствует поток вынужденного намагничи­вания при любом способе соединения первичных обмоток, так как всегда одновременно токи проводят два вентиля, принадлежащие разным фазам, а токи вторичных обмоток, находящихся на одном стержне магнитопровода трансформатора, обтекаются токами в раз­ные стороны, создавая знакопеременный поток, что исключает наличие постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе трансформатора;

Схема с уравнительным реактором используется в преобра­зователях с большой величиной выходных токов (1000 А и выше).

studfile.net

Управляемый мостовой трехфазный выпрямитель

В симметричной (полностью управляемой) мостовой схеме диоды VD1 – VD6 заменим на тиристоры VS1 – VS6 (см. рис. 2.2, a). Как и в трехфазной нулевой схеме при работе на активную нагрузку, мостовой выпрямитель может иметь два различных режима работы: режимы прерывистого и непрерывного тока. На рис. 4.2, а, б пред­ставлены кривые выпрямленного напряжения и тока для трех значений углов α. Из ри­сунка следует, что прерывистый ток в нагрузке протекает при α >π /3.

Для области не­прерывного тока  (α ) среднее выпрямленное напряжение равно:

.                          (4.3)

В выражении (4.3) производится интегрирование линейного напряжения за ин­тервал проводимости тиристора. В режиме прерывистого тока (α > π/З) мгновенное значение выпрямленного напряжения равно нулю при θ = π в соответствии с кривой вторичного напряжения трансформатора. Для этого случая имеем:

,                              (4.4)

предельным углом регулирования, при котором U_d = 0, является угол  α = 120°.

Для нормальной работы мостовой схемы необходимо подавать на управляющие электроды тиристоров импульсы шириной не менее 60° или сдвоенные импульсы, от­стающие друг от друга на указанный интервал (рис. 4.2, в, г). При запуске выпрями­теля импульс управления (например, при θ = θ₁) подается на тиристор VS1 катодной группы. Однако VS1 не включается, так как в анодной группе все тиристоры заперты.

Через промежуток, равный 60° (θ = θ₂), управляющий импульс поступает на тиристор VS2. Если в этот момент на управляющем электроде тиристора будут отсутствовать импульсы, VS2 не включится. В режиме прерывистого тока (см. рис. 4.2, a, б) также необ­ходимо подавать повторный управляющий импульс на соответствующий тиристор в противоположной группе. На рис. 4.2, в  показано положение импульсов для двух зна­чений углов управления.

При работе выпрямителя на обмотку возбуждения МПТ с большой индуктивно­стью ток нагрузки непрерывен во  всем диапазоне изменения α. В связи с этим среднее  выпрямленное напряжение может быть найдено по формуле (4.3).

Как уже указывалось, в мостовой схеме можно использовать только поло­вину тири­сторов катодной или анодной группы.  Полу­чающаяся при этом несим­метричная   (полууправляемая) мостовая схема имеет более простую систему управ­ления и мень­шую стоимость. На рис. 4.3 представ­лены кривые мгновенных вы­прямленных напряжений анодной (u_da), катодной (u_dk) групп тиристоров и результирую­щего напряжения (u_d) для случая, когда тиристоры VS1, VS3, VS5 – управляемые, а VS2, VS4, VS6 – неуправляемые (см. рис. 2.2, а). Коммута­ция тиристоров катодной группы происходит в моменты подачи управляющих импуль­сов, тиристоров анодной группы – в точках естественной коммутации К₁, К₂, К₃ и т.д.

Так же, как в симметричной схеме, при работе полууправляемого выпрямителя на активную нагрузку наступает режим прерывистого тока при . Средняя вели­чина выпрямленного напряжения определяется для областей прерывистого и непре­рывного тока одним выражением:

                                   (4.5)

Соотношение (4.5) показывает, что предельный угол регулирования, равен: α_м= 180°. Из рис. 4.3, б следует, что в полууправляемой схеме, по сравнению с полностью управляемой, кратность пульсаций выходного напряжения снизилась в два раза (m=3) и стала такой же, как в трехфазной нулевой схеме, что требует применения более мощ­ных и громоздких фильтрующих элементов. Поэтому наиболее целесообразно исполь­зовать полууправляемую схему для регулирования выходных параметров МПТ в не­больших пределах. Регулировочная характеристика выпрямителя с неполным числом тиристоров не зависит от характера нагрузки и при работе его на обмотку возбуждения машины также описывается выражение
м (4.5).

Преимуществом полууправляемой мостовой схемы являются меньшая реактив­ная мощность, потребляемая из сети.

Для сравнительной оценки выпрямительных схем рассмотрим их регулировочные харак­теристики (рис. 4.4). При работе на обмотку возбуждения или якорь с большой индуктивностью среднее выпрямлен­ное напряжение всех схем является косинусоидальной  зависимо­стью от угла регулирования α. Вид ре­гулиро­вочных характеристик можно изме­нять в зависимости от способа управ­ления выпрямителем, а также пу­тем введения различных обратных свя­зей.

Режим прерывистого тока в на­грузке наступает при тем больших уг­лах управления, чем больше фаз­ность выпрямителя (m). Существенным недос­татком выпрямителей с естест­венной коммутацией тиристоров является зна­чительное потребление из сети реактив­ной мощности при глубоком регулировании угловой скорости и мо­мента электриче­ской машины.

electrono.ru

36 Управляемый тиристорный выпрямитель

55. Управляемый тиристорный выпрямитель

Управляемые выпрямители на тиристорах позволяют:

1) выпрямлять переменное напряжение;

2)регулировать величину среднего значения этого напряжения U_d (постоянную составляющую).

Регулирование ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля Среднее значение выпрямленного напряжения U_d , определяемые заштрихованной площадью, будет меньше U_d0. Чем больше угол задержки , тем меньше U_d.

Приведём упрощённые типичные схемы силовых частей управляемых выпрямителей с описанием каждой достоинств и недостатков.

Однофазный управляемый выпрямитель

Достоинства: минимальное количество, простота реализации., простота системы управления.

Недостатки: низкий КПД , высокая пульсация выпрямленного напряжения.

Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой

Достоинства: разгрузка режима работы тиристоров, высокий КПД.,. низкая пульсация выпрямленного напряжения

Недостатки: усложнённая система управления, увеличенный размер трансформатора

Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

Достоинства: оптимальное использование возможностей трансформатора,, высокий КПД.,. низкая пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатки: усложнённая система управления, большое число элементов схемы выпрямления.

Трёхфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Достоинства: возможное создание выпрямителей большой мощности , высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации.

Недостатки: сложная система управления, неэффективное использование возможностей трансформатора

Мостовой трёхфазный управляемый выпрямитель

Достоинства: возможное создание выпрямителей большой мощности, высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации, эффективное использование возможностей трансформатора

Недостатки: сложная система управления, большое число элементов схемы выпрямления.

studfile.net

Трехфазный управляемый выпрямитель — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Трехфазный управляемый выпрямитель

Cтраница 1

Трехфазные управляемые выпрямители — это выпрямители средней и большой мощностей. Работу такого выпрямителя рассмотрим на примере выпрямителя с нулевым выводом, схема которого изображена на рис. 9.35, а. Выпрямитель обычно работает на активно-индуктивную нагрузку.  [2]

Трехфазный управляемый выпрямитель питается от зажимов генератора через токовые стабилизирующие трансформаторы ТТ. Вторичные обмотки токовых трансформаторов включены последовательно в линии питания выпрямителя, а первичные — в фазы генератора последовательно с нагрузкой.  [4]

Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой показана на рис. 6.5, а.  [6]

В трехфазном управляемом выпрямителе во внекомму-тационном интервале работает один вентиль.  [7]

Внешние характеристики трехфазных управляемых выпрямителей при различных углах управления а имеют такой же вид, что и внешние характеристики неуправляемых выпрямителей, поэтому здесь они также не приводятся.  [8]

Схема для исследования трехфазного управляемого выпрямителя показана на рис. 120 Силовая часть собрана по нулевой схеме при соединении обмоток трансформатора Л / А.  [10]

Основу комплектного устройства составляет трехфазный управляемый выпрямитель UZ, собранный по мостовой схеме. Питание выпрямителя осуществляется от. МЛ, нагрузкой служат пусковые резисторы Rb R2 и з — Суммарное сопротивление пусковых резисторов выбрано из условия обеспечения стопорного момента двигателя равного ( 1 54 — 1 6) Мной, при полностью открытом выпрямителе. Плавность пуска обеспечивается путем управления тиристорами вы — Нрямителя. Схема управления обеспечивает полный диапазон регулирования управляющих импульсов и их синхронизацию с напряжением ротора.  [12]

Какими факторами определяется переход трехфазного управляемого выпрямителя от режима прерывистых токов к режиму непрерывных токов.  [13]

Пример многоканальной структуры СУ для трехфазного управляемого выпрямителя приведен на рис. 5 — 23 а. Она содержит шесть каналов управления тиристорами. Каждый канал имеет фазосдвигающее устройство ФУ и формирователь импульсов ФИ.  [14]

Страницы:      1    2

www.ngpedia.ru