Преобразователи постоянного тока 2 страница

Для уравнивания мгновенных значений выпрямленных напряжений параллельное соединение мостов производят через уравнительный реактор УР.

Суммарное напряжение на нагрузке будет иметь пульсации, частота которых в два раза выше частоты пульсаций каждой схем. В данном случае каждая мостовая схема имеет шесть пульсаций за период, а суммарное напряжение будет иметь 12 пульсаций за период. Эту схему иногда называют 12-фазной.

УР имеет две обмотки, которые расположены на одном магнитопроводе.

Мгновенные значения выпрямленного напряжения ,

где - мгновенное значение напряжения на УР.

На рисунке 15,в представлена двухмостовая схема с последовательным соединением мостов. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке будет .

Схемы 18-ти и 24-фазные получают путём параллельного соединения трёх и четырёх мостов.

2.2. Управляемые выпрямители

Принцип работы и схемы управляемых выпрямителей точно такие же, как у неуправляемых.

2.2.1. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 17, а)

Активная нагрузка. Тиристоры V1 и V2 проводят ток только с момента подачи на их управляющие электроды импульсов, смещённых в общем случае на угол α относительно момента перехода через нуль кривых напряжения вторичной обмотки.

Угол α называется углом управления (регулирования). В положительный полупериод тиристор V1 включается с задержкой определяемой углом Θ₁ = α (рис.17,б). С этого момента напряжение на нагрузке возрастает скачком на величину , и затем будет изменяться по синусоиде в соответствии с кривой напряжения .

В момент Θ₂ тиристор V1 выключается.

В интервале Θ₃ – Θ₂ оба тиристора V1 и V2 закрыты, =0, .

В момент Θ₃ импульс подаётся на V2. Напряжение , и ток нагрузки изменяются, как и в первом случае (рис.17,б).

При Θ₄ V2 закрывается, и через угол α вновь включается V1. Кривая тока полностью повторяет форму выпрямленного напряжения.

На рисунке 17,г показано кривая мгновенного напряжения на тиристоре . До момента α к V1 приложено прямое напряжение . В интервале Θ₂ – Θ₁ V1 открыт, и напряжение на нём = 0.

При Θ₂ V1 закрывается, и к нему прикладывается обратное напряжение, равное фазному , так как в это время V2 также закрыт. В момент Θ₃ после открытия V2 к V1 прикладывается линейное напряжение 2

В момент Θ₄ на V1 начнёт нарастать положительное напряжение, и процессы повторяются.

Среднее выпрямленное напряжение

Обозначим через среднее выпрямленное напряжение неуправляемого выпрямителя , тогда

С изменением угла α от 0 до π выходное напряжение изменяется от до нуля.

Зависимость называется регулировочной характеристикой. При активной нагрузке предельный угол регулирования, при котором , равен α = 180⁰.

Ток в нагрузке носит прерывистый характер.

Максимальное напряжение зависит от угла α и имеет наибольшее значение

при

Прямое напряжение на вентиле

Кривая напряжения на V2 такая же, как на V1 (рис.17, г), но смещена на 180⁰.

Форма тока первичной обмотки при активной нагрузке изображена заштрихованной площадью на рисунке 17, г.

Максимальный ток вентиля .

Среднее значение тока вентиля, как и для случая α =0 будет .

Действующие токи, протекающие через вентиль и обмотки, зависят от угла α. С увеличением α интервал проводимости тока вентиля уменьшается.

Отношение действующего значения тока к среднему (коэффициент формы К_ф) растёт.

Действующее значение тока связано со средним значением соотношениями

.

Действующие токи обмоток, выраженные через ток :

.

Расчётная мощность S_Т зависит от К_ф

.

Из (*) и (**) видно, что угол α существенное влияние оказывает на установленные мощности основных элементов схемы.

При работе на ОВ МПТ процессы в схеме существенно отличаются. V1, вступив в работу при Θ₁, будет проводить ток вплоть до момента Θ₃ (рис.17, д, е), пока не включится V2, даже при отрицательном напряжении на V1 в интервале Θ₃ – Θ_2. В этом промежутке ток через тиристор и нагрузку поддерживается за счёт электромагнитной энергии, запасённой в индуктивности L_В.

Среднее выпрямленное напряжение определяется суммой заштрихованных площадей в положительный и отрицательный полупериоды

.

Предельным углом регулирования (при ) является α_П =90⁰.

В интервале 0÷Θ₁ проводит V2, а к V1, находящемуся в закрытом состоянии, прикладывается прямое напряжение .

В промежутке Θ₃ – Θ₁ V1 открыт, и напряжение между анодом и катодом равно нулю (рис.17, ж).

При Θ₃ происходит коммутация тока с V1 на V2, и к V1 сразу прикладывается обратное напряжение.

Максимальное обратное напряжение .

Таким образом, несмотря на то, что импульсы поступают на вентили с задержкой на α относительно моментов их естественного включения (Θ = 0, π, 2π, …), длительность протекания тока через каждый вентиль остаётся равной половине периода питающей сети.

При значительной индуктивности ОВ кривые тока через тиристоры и первичную обмотку (рис.17, е, з) имеют прямоугольную форму.

Первая гармоника первичного тока при α =0 совпадает по фазе с кривой питающего напряжения (рис.17,з).

При наличии управления ток отстаёт по фазе от напряжения на угол φ₁ = α (рис.17,з).

Поэтому cos φ₁ выпрямителей с управляемыми вентилями и естественной коммутацией всегда меньше единицы и уменьшается с возрастанием глубины регулирования (с увеличением α).

В управляемых выпрямителях возрастают пульсации выпрямленного напряжения по сравнению со случаем α =0.

Если индуктивность невелика, то энергии запасенной в ней на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, включится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. ранее момента, определяемого углом α.

Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током.

Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.

Чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность L_В, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током .

При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока действующие значения токов в элементах схемы увеличиваются.

2.2.2. Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

Рисунок 17,и, где неуправляемые вентили заменены тиристорами.

Эта схема, работающая с углом α > 0, имеет такие же формы токов и напряжений на её элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой (рис.17,б-з).

При работе на ОВ тиристоры V1, V3 проводят и при отрицательном направлении в интервале Θ₃ – Θ₂, форма остальных токов и напряжений представлена на рисунке 17, е, ж, з, г.

В зависимости от характера нагрузки – активной или активно-индуктивной – схема характеризуется следующими соотношениями:

1. Среднее выпрямленное напряжение:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

2. Максимальное напряжение на вентилях:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

3. Максимальные токи вентиля:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

4. Действующие и средние значения токов вентилей:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

5. Действующие токи вторичной обмотки:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

Управляемые выпрямители трёхфазного тока.

Началом отсчёта угла α в трёхфазных схемах являются точки естественной коммутации вентилей.

Рассмотрим принцип работы для схем (рис. 18 и 19).

2.2.3. Трёхфазная схема со средней точкой трансформатора (рис. 18, а)

На рисунке 18,б кривые и (заштрихованные площади) для трёх значений углов α при активной нагрузке.

Из рисунка следует, что ток в активной нагрузке непрерывен при и носит прерывистый характер при .

В соответствии с эти регулировочная характеристика в каждой из указанных областей рассчитывается по различным выражениям.

Примем за начало отсчёта момент перехода фазного напряжения через нуль.

Среднее выпрямленное напряжение в области непрерывного тока

,

где .

В этом случае каждый вентиль работает треть периода.

При кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения вентилей до нуля. Такой режим работы называется гранично-непрерывным.

Во второй зоне ток через вентиль обрывается при прохождении соответствующего фазного напряжения через нуль (ток через V2, подключенного к фазе «в» на рис.18,б).

Длительность интервала проводимого тока вентиля становится меньше и будет равна .

Среднее выпрямленное напряжение в этом случае

Откуда следует, что для трёхфазной нулевой схемы при активной нагрузке предельный угол управления () равен α_м = 150⁰.

Кривая напряжения на вентиле (рис.18,в) определяется как разность потенциалов анода и катода. Максимальное обратное напряжение имеет ту же величину, что и для неуправляемой схемы.

При нагрузке на ОВ токи в вентилях и обмотках такие же, как и для случая α = 0 (рис. 13 г, токи ).

Коммутация токов в вентилях происходит в момент подачи управляющих импульсов.

Из рисунка 18,в следует, что форма кривой выпрямленного напряжения не отличается от случая работы выпрямителя на активную нагрузку.

При углах управления (рис.18,г) в кривой выпрямленного напряжения появляются интервалы, когда оно принимает отрицательные значения.

Учитывая, что длительность работы каждого вентиля равна , среднее выпрямленное напряжение находится по формуле .

Максимальные значения напряжений на вентилях при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока

2.2.4. Управляемый мостовой трёхфазный выпрямитель.

На рисунке 19,б представлены кривые выпрямленного напряжения и тока для трёх значений углов α.

Из рисунка следует, что прерывистый ток в нагрузке протекает при .

Для области непрерывного тока () среднее выпрямленное напряжение равно

Интегрирование производится за интервал проводимости вентиля.

В режиме прерывистого тока () мгновенное значение выпрямленного напряжения равно нулю при Θ=π в соответствии с кривой вторичного напряжения трансформатора. Для этого случая имеем

Предельным углом регулирования, при котором , является угол α_м = 120⁰.

Для нормальной работы мостовой схемы необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры шириной не менее 60⁰ или сдвоенные импульсы, отстающие друг от друга на указанный интервал (рис.19, в, г).

При запуске выпрямителя импульс управления (например, при Θ₁) подаётся на V1 катодной группы.

Однако V1 не включается, так как в анодной группе все вентили заперты. Через промежуток, равный 60⁰ (Θ₂), импульс поступает на V2. Если в этот момент на вентиле V1 будут отсутствовать импульсы, V2 не включится.

В режиме прерывистого тока также необходимо подавать повторный импульс на соответствующий вентиль в противоположной группе.

На рисунке 19,в показано положение импульсов для двух значений углов управления.

При работе выпрямителя на ОВ с большой индуктивностью ток нагрузки непрерывен во всём диапазоне изменения α. Среднее выпрямленное напряжение определяется по формуле (*). При среднее значение согласно (*) становится равным нулю.

Для сравнительной оценки рассмотренных выпрямительных схем на рисунке 20 приведены их регулировочные характеристики. При работе на ОВ или якорь с большой индуктивностью среднее выпрямленное напряжение всех схем является косинусоидальной зависимостью от угла регулирования α.

2.2.5. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичных токов в схемах выпрямления.

Выпрямленное напряжение можно представить в виде суммы двух составляющих:

¾ постоянной, т.е. среднего значения ;

¾ переменной u_~, представляющей собой переменное напряжение несинусоидальной формы.

Несинусоидальное напряжение в свою очередь можно представить в виде суммы гармонических напряжений:

,

где n – номер высшей гармоники,

m – число пульсаций в выпрямленном напряжении за один период переменного напряжения сети,

ω – угловая частота напряжения питающей сети,

U_nm – амплитуда n – й гармоники.

Θ_n – начальная фаза n – й гармоники.

Частота составляющих выпрямленного напряжения

,

где f - частота напряжения питающей сети,

f₁= m – частота первой гармоники пульсации.

Например, при частоте сети f=50 Гц частота первой гармоники (n=1) будет иметь следующие значения:

а) для однофазной мостовой схемы (m = 2)

б) для трёхфазной схемы с нулевым выводом (m = 3)

в) для трёхфазной мостовой схемы (m = 6)

Амплитуда n-й гармоники напряжения для схем работающих с углом управления α = 0 определяется по формуле

,

откуда видно, что самое большое значение имеет амплитуда первой гармоники (n = 1), а остальные убывают обратно пропорционально квадрату порядкового номера гармонической составляющей.

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения можно выразить формулой

,

где - действующее значение n-й гармонической составляющей.

На практике пульсации оцениваются значением коэффициента пульсаций ,

где - амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения.

С ростом угла α увеличиваются пульсации. В то же время период повторяемости пульсаций не зависит от угла α.

При условии непрерывности выпрямленного тока (что соответствует активно-индуктивной нагрузке) зависимость между амплитудами гармонических составляющих и углом α одинакова для различных схем и даётся формулой

,

где - среднее значение выпрямленного напряжения при α = 0.

Формула (*) является частным случаем последней формулы, когда α = 0.

Из рассмотренных схем выпрямления следует, что они в большинстве случаев потребляют из сети несинусоидальный ток. Так однофазный двухполупериодный выпрямитель при активной нагрузке и α = 0 потребляет синусоидальный ток (рис.13, г) и высшие гармоники тока равны нулю, а при индуктивной нагрузке, ток имеет прямоугольную форму и может быть представлен в виде суммы гармонических составляющих

,

где

Согласно этому выражению потребляемый ток содержит, помимо основной гармоники (первой), высшие, наименьший номер которых тем выше, чем больше кратность пульсаций выпрямленного напряжения m.

Амплитуды гармонических составляющих I_n,м связаны с амплитудой основной (первой) гармоники I_1,м соотношением I_n,м = I_1,м/n.

Следовательно, с увеличением числа фаз схемы выпрямления (с увеличением числа m) потребляемый из сети ток приближается к синусоидальному (так как содержание высших гармоник уменьшается, n↑).

Высшие гармоники в первичном токе вызывают дополнительные потери и искажают форму кривой питающего напряжения.

Гармонический состав тока, потребляемого из сети управляемым выпрямителем, существенно зависит от характера нагрузки. Если нагрузка не обеспечивает режим работы с непрерывным током , то с ростом α происходит увеличение амплитуд высших гармоник потребляемого тока.

При индуктивной нагрузке угол α не оказывает влияния на гармонический состав потребляемого тока.

Основные параметры выпрямительных схем сведены в таблице 1.

Однофазные схемы используются обычно в выпрямителях малой и средней мощности при невысоких требованиях к величине пульсаций выпрямленного напряжения.

Выпрямители средней и большой мощности выполняют по трёхфазной мостовой схеме, которая обладает высокими технико-экономическими показателями.

Для получения низких значений коэффициента пульсаций и малых искажений тока, потребляемого из сети, следует применять многофазные схемы.

2.3. Процессы коммутации в вентильных схемах.

Ранее процесс перехода тока с одного вентиля на другой (процесс коммутации) рассматривался как мгновенный. В реальных схемах мгновенная коммутация токов в вентилях невозможна из-за наличия в анодных (катодных) цепях определённой индуктивности, входящей в контур коммутации. Эта индуктивность определяется суммой, приведённой к вторичной обмотке трансформатора индуктивности питающей сети и индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

Время, в течение которого происходит переход тока нагрузки с одного вентиля на другой, называется углом коммутации (перекрытия) вентилей и обозначается γ.

Наличие реального времени коммутации вносит существенные изменения в работу схемы выпрямления и влияет на форму кривых токов и напряжений, а также на характеристики выпрямителя.

2.3.1. Процессы коммутации в однофазных схемах выпрямления.

Рассмотрим на примере однофазной двухполупериодной нулевой схемы (рис. 21, а).

На рисунке 21,б изображена эквивалентная схема выпрямителя.

Приведённые индуктивность питающей сети и индуктивность рассеяния первичной обмотки объединены с индуктивностью рассеяния вторичной обмотки в виде двух эквивалентных индуктивностей L_s, отнесённых к каждой фазе.

Значение 2L_s определяется из опыта КЗ трансформатора. Э.д.с. вторичных обмоток показаны в виде двух источников e₁ и e₂.

В интервале 0÷Θ₁ проводит V2 (рис.21,в,г). В момент Θ=α импульс падает на V1, и начинается переход тока с вентиля V2 на V1. Из-за индуктивности L_s ток в V2 не может мгновенно упасть до нуля, а в V1 – мгновенно нарасти до величины тока нагрузки I_d.

В связи с этим в промежутке Θ=γ оба вентиля открыты. Под действием э.д.с. в контуре коммутации, не содержащем цепь нагрузки, возникает ток КЗ i_K (пунктир на рис.21,б).

При этом выпрямленное напряжение равно нулю (рис.21,в), так как вторичная обмотка оказывается замкнутой накоротко тиристорами V1 и V2.