Эквивалентные многофазные схемы

Повышение кратности пульсации схемы по выходному напряже­нию возможно путем включения последовательно или параллельно двух выпрямительных блоков. Напряжения питания этих блоков, а значит, и мгновенные значения их выходного напряжения должны иметь определенный фазовый сдвиг α. Например, при использова­нии двух трехфазных выпрямителей (T = 3) период пульсации вы­ходного напряжения Т равен 2π/3 или электрическому углу 120° (рис. 5.5, а, б).

Рис. 5.5. Кривые напряжения на элементах схемы

Если питающие напряжения этих двух выпрямителей сдвинуть одно относительно другого на угол α = π/2, то в результате сложения выходных напряжений (что получается при последова­тельном включении двух выпрямительных блоков) частота пульса­ций напряжения на нагрузке увеличивается в 2 раза U_d = U_{d 1}+ U_{d 2}. Эквивалентная двенадцатифазная схема выпрямления показана на рис.5.6, а. На схеме трехфазные линии электропередачи и трехфазные соединения внутри схемы для простоты показаны в виде одной трижды перечеркнутой линии. Два шестифазных выпрямителя (Т = 6), соб­ранных по трехфазной мостовой схеме, по выходу включены последо­вательно и работают на общую нагрузку. Для повышения частоты пульсации выходного напряжения в 2 раза т. е. для получения Т = 12 эти выпрямительные блоки должны работать с фазовым сдви­гом α = 2π/12. Необходимый фазовый сдвиг может быть получен при использовании трансформатора с двумя группами вторичных обмоток, каждая из которых питает схему с шестикратной пульсацией (шестипульсную) (рис. 5.6, а).

а б

Рис. 5.6. Эквивалентная двенадцатифазная схема выпрямления

Если одну из групп вторичных обмоток трансформатора соеди­нить в звезду, а вторую — в треугольник, то между их трехфазными системами напряжений (линейным и фазным напряжением) будет существовать фазовый сдвиг на электрический угол 30°. Мгновен­ные значения выходных напряжений двух выпрямительных блоков будут иметь такой же фазовый сдвиг. Таким образом, на выходе последовательно включенных выпрямительных блоков напряжение будет пульсировать с удвоенной частотой, т. е. мы получаем эквива­лентную двенадцатифазную схему (Т=12). Кроме того, при по­следовательном (по отношению к нагрузке) включении выпрями­тельных блоков выходное напряжение повышается в 2 раза при не­изменном допустимом напряжении на вентилях.

При параллельном включении составляющих выпрямительных блоков (рис. 5.6, б) допустимый ток в нагрузке повышается в 2 раза при неизменном допустимом токе вентилей одного выпрямительного блока. На рис. 5.7 показана эквивалентная двадцатичетырёхфазная схе­ма, состоящая из двух эквивалентных двенадцатифазных схем, рас­смотренных выше. Между двенадцатифазными блоками необходимо создать фазовый сдвиг на угол α= 2π/т_экв = 360/24 = 15°.

Рис. 5.7. Эквивалентная двадцатичетырёхфазная схе­ма

Для постоянной составляющей тока реак­тор не имеет никакого сопротивления, тогда как для переменной составляющей уравнительного тока индуктивное сопротивление реактора станет ограничителем.

При расчете эквивалентных многофазных схем необходимо учи­тывать следующее обстоятельство: для получения симметричной кривой выходного напряжения питания выпрямителей должны быть одинаковыми. Поэтому число витков вторичных обмо­ток трансформатора, соединенных в звезду, должно быть в π/3 раз меньше, чем число витков в обмотках, соединенных в треугольник.

Управляемые выпрямители

На практике часто требуется стабилизация выходного на­пряжения либо регулирование его в широких пределах. Для необходимого в этих случаях изменения величины выпрямлен­ного напряжения используют ряд технических решений, основ­ными из которых следует считать:

- изменение напряжения на выходе выпрямителя с помощью регулятора переменного напряжения (автотрансформатора, дросселя насыщения, тиристорного регулятора);

- регулирование выпрямленного напряжения с помощью регу­ляторов постоянного напряжения;

- регулирование выпрямленного напряжения за счет приме­нения выпрямителей на управляемых вентилях (управляемых выпрямителей).

Применение управляемых выпрямителей позволяет умень­шить габариты и стоимость преобразователей по сравнению со схемами, использующими автотрансформаторы и дроссели на­сыщения. Наибольшее применение в качестве управляемых вентилей нашли тиристоры.

Однофазный управляемый выпрямитель. Схема однофазного двух полупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.8, а.

Работа управляемого выпрями­теля во многом зависит от характера нагрузки Рассмотрим работу схемы на активную нагрузку (L _H = 0). Использование в схеме выпрямителя управляемых вентилей позволяет задерживать начало прохождения тока через оче­редной, вступающий в работу вентиль по отношению к момен­ту его естественного отпирания. Если на управляющий электрод вентиля V 1 в момент t = 0 подать отпирающий импульс, то вентиль V 1 включится с некоторой за­держкой. Угол задержки, отсчитываемый от момента естествен­ного включения вентиля, выраженный в электрических граду­сах, называется углом управления и обычно обозначается бук­вой α. В результате в интервале 0 – ω t напряжениена сопротив­лении R _Нбудет равно нулю (оба вентиля в закрытом состоя­нии) В момент включения вентиля V 1напряжение на нагрузке cкачком возрастет и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

В момент перехода напряжения через нуль оно сменит знак, и тиристор выключится. Через отрезок времени, в который угол управления станет равным α, включится второй тиристор, но при снижении напряжения до нуля он выключится. Далее процессы будут повторяться.

Схема трехфазного управляемого выпря­мителя со средней точкой показана на рис. 5.9, а. Кривые выпрямленного напряжения для режима работы схемы на активную нагрузку при двух различных углах управления показаны на рис. 5.9, б, в. Нетрудно заметить, что имеются две характерные области управления.

Рис. 5.8. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (а), токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную (б, в) и активно-индуктивную (г, д) нагрузки

Первая находится в диапазоне углов π/6 > α > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока, а вторая начинается при углах α > π/6, причем в кривой выпрям­ленного тока в этом случае возникают паузы, в течение кото­рых мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю. Среднее выпрямленное напряжение в первой области регулирования

(5.7)

Каждый вентиль работает в этом случае треть периода.

Во второй области регулирования ток через вентиль обры­вается при прохождении мгновенного выпрямленного напряже­ния через нуль. Длительность прохождения тока через вентиль меньше λ и равна 2π/3, так как λ = π – α – π⁄6.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае определяется следующей формулой:

. (5.8)

Как видно из последней формулы, предельным углом управ­ления является угол α =150°.

Рис. 5.9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой (а) и кривые напряжения на элементах схемы (б–д)

Среднее выпрямленное напряжение для режима работы со сглаженным выпрямленным током

(5.9) Предельный угол управления α = 90°. На рис. 5.9, д показа­но изменение напряжения на вентиле для угла управления α = π/3.

Максимальное обратное напряжение на вентиле U _обр =2,45 U _21.

Максимальное прямое напряжение на вентиле U _пр.мах = U ₂₁ sinα.

Вследствие некоторой специфики работы системы управле­ния вентилями трехфазной управляемой мостовой схемы при работе на активную нагрузку целесообразно рассмотреть ре­жим работы при L _н = 0.

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителяприведена на рис. 5.10, а.

Рис. 5.10. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель (а), кривые фазного (б) и выпрямленного (в) напряжений при работе на активную нагрузку

На рис. 5.10, б и в изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения схемы для трех значений угла управления α. Сле­дует отметить, что для работы мостовой схемы необходимо по­давать на вентили управляющие импульсы длительностью боль­ше 60° или сдвоенные импульсы.

Причина такого требования становится ясной из рассмотрения принципа работы схемы. В случае использования одиночных импульсов с длительностью меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и ка­тодной группах.

Кроме того, как видно из рис. 5.10, б, при углах управления α > 60° при активной нагрузке в кривой выпрямлен­ного напряжения появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной, вступающий в работу, вентиль подавать повторный управляющий импульс на соответствующий вентиль в противо­положном плече или же использовать импульсы с длительностью больше 60°.

Кривая выпрямленного напряжения (рис. 5.10, в)в диапазоне изменения угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления α > 60° ток нагрузки становится прерывистым.

Для режима I: U _Нα= U ₀соs α.

Для режима II: U _Нα = U ₀[1 + сos(π/3 + α)](см. рис. 5.10, в).

Предельным углом регулирования является в этом случае угол α _п =120°.

Наибольший интерес представляет режим работы схемы со сглаженным током (L _Н=∞) [8]. В этом случае ток нагрузки непре­рывен во всём диапазоне управления. На рис. 5.11, а и б показан характер изменения выпрямленного напряжения и токов.

Токи вентилей V 1, V 2, V 3 показаны условно выше нулевой линии, а токи вентилей V 4, V 5, V 6 ниже.

На интервале от t ₁ до t ₂ включен вентиль V 1(см. рис. 5.13 ,а). По­тенциал катода вентиля по от­ношению к нулевой точке из­меняется по синусоиде фазного напряжения U_α, причем в на­чале интервала он положите­лен, а в конце отрицателен. В момент t ₂включается вен­тиль V 2и ток переходит на него. В интервале t ₂ -t ₃ ток нагрузки проходит через вен­тиль V З. В момент t ₃вступа­ет в работу вентиль V 3и ра­ботает до момента t ₄. Сред­нее выпрямленное напряжение для всего диапазона управле­ния U _Hα = U ₀cosα. Угол регу­лирования 90°.

Данная схема выпрямления является наиболее распростра­ненной, так как позволяет об­ходиться без трансформато­ра и имеет по сравнению с трехфазной нулевой схемой (см. рис. 5.11, а и б) вдвое большую частоту пульсаций. Недостатками схемы явля­ются большое число управляемых вентилей и сложность систе­мы управления, в частности, из-за необходимости изолировать цепи управления вентилей анодной группы.

выпрямитель?