Преобразователи постоянного тока 1 страница

2.1 Неуправляемые выпрямители

2.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

На первичную обмотку (рис.9,а) подаётся синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке также будет синусоидальное напряжение

На рисунке 9,б показана диаграмма напряжений на трансформаторе и тока нагрузки.

На рисунке 9,в – диаграмма выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение равно

Геометрически среднее значение выпрямленного напряжения может быть представлено высотой прямоугольника (косая правая штриховка) с основанием, равным периоду 2π и площадью, равной площади, которая ограничивается кривой выпрямленного напряжения (косая левая штриховка).

Среднее значение тока нагрузки .

Во вторичной обмотке будет протекать пульсирующий ток , содержащий постоянную составляющую (рис.9,г).

На рисунке 9,д представлен первичный ток в предположении, что коэффициент трансформации , а ток холостого хода равен нулю.

Заштрихованные площади на диаграмме тока равны, что указывает на отсутствие постоянной составляющей тока. Таким образом, ток первичной обмотки отличается от тока вторичной обмотки на постоянную составляющую , т.е.

.

Магнитный поток будет иметь постоянную составляющую, которая будет увеличивать насыщение. Это вызывает возрастание намагничивающего тока и необходимость в завышении расчётной мощности трансформатора.

2.1.2 Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке 10,а. Трансформатор с двумя вторичными обмотками, имеющими равное число витков. Напряжения вторичных полуобмоток равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 180˚. Нагрузка включается между средней (нулевой) точкой трансформатора и катодами вентилей.

Работа схемы на активную нагрузку. Ключ К замкнут. Напряжение вторичной полуобмотки

При полярности (без скобок) в течение времени 0 ÷ θ₁ проводит V1, V2 – выключен.

В следующий полупериод θ₁ ÷ θ₂ (полярность в скобках) V1- закрывается, ток нагрузки начинает проходить через открывшийся V2.

Переход тока нагрузки с V1 на V2 носит название процесса коммутации. Так как переход тока произошёл под действием питающего напряжения , такая коммутация называется естественной и осуществляется в точках перехода через нуль вторичных напряжений.

Временные диаграммы напряжений и токов на различных участках схемы показаны на рисунке 10б, в, г, д.

Ток и напряжения , пульсируют по величине с частотой в два раза превышающей частоту сети (т=2).

Подмагничивание трансформатора постоянным током отсутствует.

Количественные соотношения.

Средние значения выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока .

1) Максимальное обратное напряжение на вентиле

2) Максимальное значение тока вентиля

3) Среднее значение тока вентиля равно половине тока нагрузки

4) Действующее значение токов вентиля и вторичной обмотки

5) Коэффициенты будут равны

6) Токи трансформатора ,

где - коэффициент трансформации

7) Мощности обмоток трансформатора ,

где - номинальная мощность выпрямленного тока

8) Фактическая мощность, выделяемая в нагрузке

9) Коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора

Мощность трансформатора должна быть завышена на 20 % по сравнению с мощностью нагрузки.

Работа схемы на ОВ МПТ. Ключ К разомкнут. Форма тока через вентили (пунктир на рис.10,в) представляет собой прямоугольные импульсы длительностью 180⁰ с амплитудой .

Ток поддерживается постоянным за счёт запаса электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности L_В. Ток первичной обмотки также имеет прямоугольную форму (рис.10, г пунктир).

Формы кривых выпрямленного и обратного напряжений остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку (рис.10,б,д).

В связи с этим изменения количественных соотношений коснётся только токов. Обычно при выводе расчётных соотношений принимают L_В = ∞. Однако они справедливы для .

1). Максимальное значение тока вентиля становится равным .

2). Действующие токи через вентиль и вторичную обмотку трансформатора будут

3). Действующий ток прямоугольной формы в первичной обмотке

4). Мощности трансформатора

Так как для постоянного тока, не содержащего пульсаций, мощности и равны, поэтому коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора будет равен К_Пр = 1,34.

Таким образом, наличие достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки приводит к увеличению расчётной мощности трансформатора, но улучшает использование вентилей по току.

Работа выпрямителя на якорь МПТ.

Э.д.с. якоря направлена навстречу напряжению (рис.11,а). В связи с этим ток будет определяться разностью напряжения выпрямителя и э.д.с. Предположим вначале, что ключ К (рис.11,а) замкнут .

Откуда следует, что ток якоря из-за односторонней проводимости вентилей может проходить при условии , т.е. когда мгновенное выпрямленное напряжение больше э.д.с. двигателя. Вентили включаются в моменты и выключаются в моменты (рис.11,б). В результате выпрямленный ток якоря будет иметь прерывистый характер.

Первичный ток носит также прерывистый характер (рис.11, г) и равен нулю, когда =0. Поэтому величины токов в элементах схемы также изменяются.

Форма и величина выпрямленного и обратного напряжения остаются прежними.

При включении достаточно большой индуктивности якоря цепи (ключ К разомкнут). Наличие противо э.д.с. приводит только к изменению среднего значения выпрямленного тока (при = I_d; ).

В данном режиме возможно протекание в якорной цепи тока даже при .

2.1.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 12).

Предполагаем вначале, что нагрузка активная (ключ К замкнут). В положительный полупериод напряжения ток проходит через вентили по пути , а вентили закрыты. В следующий полупериод вентили V1, V3 запираются, а вентили V2, V4 открываются. Ток протекает всегда по двум последовательно включённым вентилям.

Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.10, б, в, г, д). Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

¾ среднее выпрямленное напряжение

¾ коэффициент схемы

¾ максимальное значение обратного напряжения на вентилях

¾ максимальное значение тока вентиля

¾ среднее значение тока вентиля

¾ действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

¾ коэффициент превышения расчётной мощности К_Пр=1;

¾ коэффициенты использования вентиля по напряжению и току

.

Основные схемы трёхфазных неуправляемых выпрямителей.

Основные достоинства трёхфазных схем по сравнению с однофазными следующие:

1) меньшая величина высших гармоник в кривой выпрямленного напряжения К_П и кривой тока, потребляемого из сети ;

2) большая частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя, что приводит к снижению габарита и массы силовых фильтров;

3) лучшее использование трансформатора и вентилей;

4) симметричная нагрузка фаз питающей сети.

2.1.4. Трёхфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой (рис. 13, а).

В момент времени ток начинает проводить вентиль V1, присоединенный к фазе «а». Через время 2π/3 () V1 запирается, а V2 открывается. Происходит коммутация тока нагрузки с вентиля V1 на V2. В точке 3 (рис. 13, в) , вентиль V2 запирается, V3 начинает проводить ток и т.д.

Естественная коммутация тока нагрузки с вентиля на вентиль происходит в точке пересечения синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 называются точками естественной коммутации вентилей.

Каждый вентиль проводит ток в течение 2π/3 каждого периода напряжения питающей сети.

Выпрямленное напряжение представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис.13,г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет по форме кривую напряжения . Частота пульсаций , в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3).

В непроводящую часть периода к вентилю прикладывается обратное напряжение (рис.13,е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих вентилей.

Когда проводит V2 к вентилю V1 приложено линейное напряжение , в момент включения V3 подаётся напряжение . Соответствующие напряжения на рисунке 13,в заштрихованы.

Форма первичного тока (рис.13,ж), построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды.

За начало отсчёта примем момент прохождения напряжения фазы «а» (рис.13,в) максимального значения.

Среднее значение выпрямленного напряжения найдём путём интегрирования напряжения на вторичной обмотке в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

.

Пределы интегрирования соответствуют времени проводящего состояния вентиля. Для схемы (рис. 13,а)

m = 3; тогда .

Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке

.

Коэффициент схемы .

Коэффициент пульсации для ν – й гармоники равен , а частота пульсаций .

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения

Действующее значение напряжения вторичной обмотки, находим из выражения для :

Максимальное значение тока вентиля

Среднее значение тока вентиля .

При прохождении тока через вентиль и вторичную обмотку создаётся вынужденный поток (постоянная составляющая) подмагничивания сердечника. Эти потоки составляют 20-25 % от основного потока трансформатора. Это вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг (рис.13,б). При этой схеме на каждом стержне располагаются по две полуобмотки разных фаз, в которых токи протекают в противоположных направлениях. В результате постоянная составляющая магнитного потока становится равной нулю.

Токи первичных обмоток содержат только переменные составляющие, так как постоянные составляющие токов не трансформируются.

При работе на реальную нагрузку (ключ К на рис.13,а разомкнут) изменяется форма токов (становятся прямоугольными) в вентиле, нагрузке и в обмотках трансформатора (пунктир на рис.13,д,ж).

Соотношения для токов будут

Расчётные мощности обмоток

Коэффициенты использования элементов схемы

2.1.5. Трёхфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) (рис.14,а)

В момент времени Θ₁ (рис.14,б) в катодной группе проводить V1, а в анодной – V6. Переход тока с вентиля на вентиль в обеих группах происходит в точках естественной коммутации К₁, К_2, K₃,…, А₁, А₂, А₃ и т.д.

Порядок вступления в работу вентилей соответствует их номерам и показан на рисунке 14,б.

Потенциал общих катодов по отношению к нулевой точке трансформатора изменяется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей фазных напряжений , , .

Мгновенное выпрямленное напряжение (рис.14, г) равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, заключённым между верхней и нижней огибающими (рис.14,б).

Пульсации выпрямленного напряжения и тока при активной нагрузке происходят c шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через вентиль показана на рисунке 14,в, г. При активной нагрузке и работе выпрямителя на ОВ (пунктирная линия на рис.14,в).

Обратное напряжение имеет форму как в нулевой схеме, но в 2 раза меньшей амплитуды. Среднее выпрямленное напряжение при m = 6

Коэффициент схемы .

Выражение для справедливо для активной и индуктивной нагрузки. Остальные соотношения с индуктивной нагрузкой обмотки. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки.

Максимальный ток вентиля .

Средний ток вентиля .

Действующее значение тока вентиля .

Действующие значения тока обмоток, а также расчётные мощности обмоток трансформатора .

Коэффициенты использования элементов схемы .

Сравнительный анализ различных схем выпрямления приведён в таблице 1, рисунок 16.

2.1.6. Многомостовые схемы (рис. 15)

Можно выделить многомостовые схемы с одним трансформатором и многомостовые с двумя и более трансформаторами, имеющие разные группы соединения обмоток.

Основное назначение многомостовых схем - это уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и улучшение формы тока, потребляемого из питающей сети, приближение её к синусоидальной.

На рисунке 15,а,б представлены два варианта двух мостовых схем с параллельным соединением мостов. Первая состоит из трёхобмоточного трансформатора, соединённого по схеме Υ/Υ-Δ и двух трёхфазных мостов. Вторая схема имеет два двухобмоточных трансформатора, один из которых соединён по схеме Υ/Υ, а другой – по схеме Δ/Υ, и два трёхфазных моста.

Таблица 1.

Параметры	Однофазная с нулевым выводом	Однофазная мостовая	Трёхфазная нулевая индуктивная нагрузка	Трёхфазная мостовая индуктивная нагрузка
Активная нагрузка	Индуктивная нагрузка	Активная нагрузка	Индуктивная нагрузка
Ud	0,9 U2ф	0,9 U2ф	0,9 U2ф	0,9 U2ф	1,17 U2ф	2,34 U2ф
Uобр м	2,84 U2ф	2,84 U2ф = 3,14 Ud	1,42 U2ф = 1,57 Ud	1,42 U2ф	2,45 U2ф = 2,09 Ud	1,05 Ud
Iн ср	0,5 Id	0,5 Id	0,5 Id	0,5 Id	1/3 Id	1/3 Id
Iв	0,785 Id		0,785 Id
I2	0,785 Id			Id		Id
S1	1,23 Pdн	1,11 Pdн	1,23 Pdн	1,11 Pdн	1,21 Pdн	1,05 Pdн
S2	1,74 Pdн	1,57 Pdн	1,23 Pdн	1,11 Pdн	Y/Y, ∆/Y 1,48 Pdн ∆/Z, Y/Z 1,71 Pdн	1,05 Pdн
Sт	1,48 Pdн	1,34 Pdн	1,23 Pdн	1,11 Pdн	Y/Y, ∆/Y 1,34 Pdн ∆/Z, Y/Z 1,46 Pdн	1,05 Pdн
kU	3,14	3,14	1,57	1,57	2,09	1,05
kI	0,785		0,785
kп1	0,483	–	0,483	–	0,18	0,042
kи	0,9	0,9	0,9	0,9	0,827	0,955
kг	0,484	0,484	0,484	0,484	0,68	0,311
m

Рисунок 16 - Сравнительный анализ различных схем выпрямления.

В обеих схемах вторичное напряжение трансформаторов сдвинуты на угол π/6.

Обе схемы работают аналогично. Выпрямленное напряжение одной схемы будет иметь пульсации, сдвинутые по фазе на угол π/6 относительно пульсации выпрямленного напряжения другой схемы.