Мартынов_силаI. А. А. Мартынов силовая электроника
 Скачать 4.22 Mb.
|
Рис. 7. Схема однофазного мостового неуправляемого выпрямителя 2 (интервал времени 0 < ωt < π) ток проходит от вторичной обмотки трансформатора через вентиль нагрузку L d –R d и вентиль VD2. Так как в это время вентили VD3, закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее значение которого равно максимальному амплитудному напряжению вторичной обмотки трансформатора U 2m . В отрицательный полупериод (интервал времени π < ωt < 2π) ток проходит через вентиль VD3, нагрузку L d –R d и вентиль VD4. При этом обратное напряжение прикладывается к вентилями. Таким образом, ток вцепи нагрузки в каждый период проходит водном направлении – от общей точки катодов вентилей, которая имеет положительный потенциал, к общей точке анодов вентилей, которая имеет отрицательный потенциал. Среднее значение тока, протекающего через нагрузку, определяется средним значением выпрямленного напряжения U d и сопротивлением нагрузки Выпрямленное напряжение см. рис. 8, б) имеет постоянную составляющую и переменную составляющую u d , которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсации напряжения. Работа неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рис. 7, замкнуть ключ, шунтирующий дроссель L d . Сравним кривые выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя (см. рис. 8, б) и неуправляемого двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 6, б. Можно видеть, что они идентичны. Отсюда можно сделать вывод о том, что формулы для определения среднего значения выпрямленного напряжения для этих двух схем неуправляемых выпрямителей одинаковы 2 2 2 2 0 1 2 2 2 d 0 9 , d m U u t U U U π ω π π π = = = = ò (27) 2 2 1 57 Величина среднего и действующего значений тока через вентиль равны соответствующим величинам для двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, так как в обеих схемах кривые тока вентиля одинаковы среднее значение тока вентиля â.ñð 2 , d I I = ; – действующее значение тока вентиля Ток вторичной обмотки трансформатора i 2 при чисто активной нагрузке синусоидален, и действующее значение этого тока I 2 можно определить как 2 2 2 m I I Как было показано ранее Отсюда можно получить соотношение между действующим значением тока вторичной обмотки трансформатора и средним значением тока нагрузки 2 2 d I I π = (Ток первичной обмотки тоже синусоидален, и его действующее значение I 1 отличается от I 2 на величину коэффициента трансформации Расчетные мощности обмоток трансформатора в однофазном мостовом выпрямителе равны между собой и равны типовой мощности р.м ) при чисто активной нагрузке равен Коэффициенты использования вентилей потоку и напряжению равны соответственно 78 4 , ; i d I k I π = = = îáð 1 57 2 max , u d U k U π = = Частота пульсаций выпрямленного напряжения в 2 раза больше частоты питающей сети п = т = Работа неуправляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку Для реализации этого режима необходимо на схеме (см. рис. 7) разомкнуть ключ, шунтирующий Будем полагать, что ток нагрузки идеально сглажен (L d = ∞). В этом случае изменится только величина и форма токов в элементах схемы. На процессе переключения групп вентилей это явление не скажется, так как при смене полярности напряжения на вторичной обмотке идеального трансформатора ток вторичной обмотки трансформатора может мгновенно менять свое направление. Следовательно, переход тока с вентиля на вентиль будет происходить, как ив случае работы схемы начисто активную нагрузку, в моменты времени прохождения через ноль напряжения вторичной обмотки трансформатора. Ток вентиля при активно-индуктив- ном характере нагрузки (L d = ∞) имеет вид прямоугольного импульса длительностью 180° с амплитудой, равной величине выпрямленного тока I d . Среднее и действующее значения тока вентиля равны cоответственно: Форма тока первичной и вторичной обмоток трансформатора будет прямоугольной. Действующее значение тока во вторичной òð òð d I I I k k = = (Сравнивая однофазную мостовую схему выпрямления с рассмотренной ранее двухполупериодной схемой выпрямления с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, можно заметить, что при равных выпрямленных напряжениях и токах (U d ив однофазной мостовой схеме необходимо вдвое большее количество вентилей, нос вдвое меньшим обратным напряжением. Определим расчетные мощности первичной и вторичной обмоток 1 1 1 11 2 2 , ; dN dN dN S U I U I P π = = = òð2 2 2 1 11 2 2 , dN dN dN S U Типовая мощность трансформатора 11 Коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора в этом случае k р.м = 1,11. Отметим, что при чисто активной нагрузке этот коэффициент больше и равен Коэффициенты использования вентилей потоку и напряжению при L d = ∞ равны соответственно 0 707 2 , ; i d I k I = = = îáð 1 57 2 max , u d U k U π = = Вопросы для самоконтроля. Сформулируйте принцип работы неуправляемого однофазного мостового выпрямителя. Во сколько раз действующее значение напряжения, подаваемого на вход выпрямителя, должно быть больше среднего значения напряжения нагрузки 36 3. Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активном характере нагрузки. Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активно-индуктивном характере нагрузки. Чему равна частота пульсаций выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя. Чему равен коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения неуправляемого однофазного мостового выпрямителя. Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле неуправляемого однофазного мостового выпрямителя больше напряжения нагрузки. Чему равен коэффициент использования вентиля потоку Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку Силовая схема управляемого однофазного мостового выпрямителя приведена на риса. Отличие схем, приведенных на рис. 7 и 8, а, заключается в том, что неуправляемые вентили – диоды (см. рис. 7) заменены на тиристоры (см. риса. Как отмечено выше, для открытия тиристоров необходимо выполнение двух условий потенциал анода тиристора должен быть выше потенциала катода и на управляющих электродах тиристора должен иметься импульс управления. Для реализации режима работы управляемого выпрямителя начисто активную нагрузку необходимо на схеме риса замкнуть ключ На рис. 8, в, г приведены кривые выпрямленного напряжения при угле регулирования α > 0, причем на рис. 8, в кривая выпрямленного напряжения соответствует активно-индуктивному характеру нагрузки, а на рис. 8, г – активному характеру нагрузки. В этой схеме одновременно работают два тиристора, поэтому управляющие импульсы необходимо подавать одновременно на два тиристора, расположенные диагонально, те. на VS1 и VS2 или на VS3 и VS4. Необходимо отметить, что в однофазных мостовых выпрямителях, проектируемых для работы начисто активную нагрузку, нет необходимости использовать четыре тиристора. Достаточно, например, двух управляемых, включенных в катодную группу, и двух неуправляемых вентилей, включенных в анодную группу. Это позволяет снизить стоимость выпрямителя и упростить его схему (за счет существенного упрощения системы управления. При этом процессы в выпрямителе, основные расчетные соотношения и возможность регулирования будут точно такими же, как в выпрямителе с четырьмя управляемыми вентилями. Выведем выражение для среднего значения выпрямленного напряжения однофазного управляемого выпрямителя при работе начисто активную нагрузку 2 0 2 1 1 d 1 2 cos ( cos Нетрудно установить, что предельный угол регулирования, при котором напряжение на нагрузки становится равным нулю, назовем его углом запирания, зап = 180°. Формула (34) по сути является регулировочной характеристикой однофазного управляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, при работе начисто Рис. 8. Схема (аи временные диаграммы (б–г), поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления VS1 VS3 VS2 VS4 а) S б) u 0 в) u 0 г) u 0 2 π u 1 u 2 L d α α u d u d u d U d U d U d u 2 u 2 ωt ωt ωt π π π π π активную нагрузку. Максимальное значение обратного напряжения на тиристорах, как ив случае работы схемы на неуправляемых вентилях, равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора см. формулу (28)]. Максимальное значение прямого напряжения на тиристоре зависит от угла регулирования 2 2 2 sin Отметим, что при активной нагрузке на интервале времени 0 ≤ ωt ≤ α не открыт ни один тиристор силовой схемы выпрямителя и напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к двум последовательно соединенным тиристорам. Таким образом, к каждому из тиристоров прикладывается только половина напряжения вторичной обмотки трансформатора, что и учтено в формуле. Величина действующего значения тока первичной обмотки трансформатора определяется по той же формуле (30), что и для случая работы неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку. Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку Для реализации этого режима необходимо на схеме риса разомкнуть ключи подать импульсы управления на тиристоры. Рассмотрим влияние характера нагрузки на работу управляемого выпрямителя. Как было указано, на рис. 8, б приведена кривая выпрямленного напряжения на нагрузке при активно-индуктив- ном характере нагрузки, а на рис. 8, в – при чисто активном характере нагрузки. Из рис. 8, б следует, что при активно-индуктивном характере нагрузки каждая пара вентилей проводит ток на интервале времени длительностью т = π независимо от величины угла регулирования α. При чисто активном характере нагрузки длительность ведения тока каждой парой вентилей зависит от величины угла регулирования α и изменяется от т = π (при α = 0°) дот (при α = 180°). Включение дросселя с индуктивностью L d вносит существенные изменения в работу выпрямителя, выполненного полю- бой схеме. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения вторичной обмотки тиристоры не закрываются (как это происходит при чисто активной нагрузке, а проводят ток в течение некоторого времени при отрицательном напряжении (при ωt > π, см. рис. 8, в. При достаточно большой величине индуктивности дросселя L d длительность ведения тока вентилями достигает т = π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt > π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции e L = –L d di/dt, противоположная по знаку напряжению и. Под воздействием этой ЭДС и происходит протекание тока нагрузки. Этот процесс идет до тех пор, пока накопленная в индуктивности L d энергия W L = L d I 2 /2 расходуется частично в активном сопротивлении R d и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени e L > u 2 и к анодам тиристоров и VS2 прикладывается положительный потенциал в = (e L –u 2 ) > Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя W L = LI 2 /2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и если ЭДС самоиндукции e L = 0, ток вентилями прикладывается отрицательное напряжение вторичной обмотки трансформатора u 2 . Тиристоры и VS2 закрываются. При достаточно большой индуктивности дросселя L d энергия дросселя не исчезает на всем интервале ведения тока вентилями т = π и ток нагрузки имеет непрерывный характер. Характер процессов, протекающих в этой схеме выпрямления, в определенной мере иллюстрируется кривой выпрямленного напряжения (см. рис. 8, в. Ток через тиристоры (VS1 и VS2) не обрывается в момент прохождения фазного напряжения u 2 через ноль, как это имеет место при чисто активной нагрузке, а продолжает течь вплоть до момента коммутации тока наследующую пару тиристоров. В кривой выпрямленного напряжения при этом имеются участки положительного и отрицательного напряжения. Величина среднего значения выпрямленного напряжения при этом может быть определена по формуле 2 2 0 1 2 2 2 d sin cos cos . d d U U t t U U π α α α ω Максимальное обратное напряжение на закрытом тиристоре определяется по формуле (28), а максимальное прямое напряжение на тиристоре зависит от угла регулирования α: ïð 2 2 sin . m U U α = (Кривые первичного и вторичного токов при активно-индуктив- ной нагрузке имеют прямоугольную форму, симметричную относительно оси абсцисс. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора а действующее значение первичного тока отличается от действующего значения вторичного тока в коэффициент трансформации раз Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме двукратна по отношению к частоте напряжения питающей сети, те. п = Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения и малой их частоте применяют в основном в электроустановках малой мощности, а также во вторичных источниках питания. Вопросы для самоконтроля. Сформулируйте принцип работы управляемого однофазного мостового выпрямителя. 2. Укажите требуемый диапазон изменения угла α для регулирования среднего значения напряжения на нагрузке от максимального значения до нуля – при чисто активной нагрузке – при активно-индуктивном характере нагрузки (L d = ∞). 3. Объясните физическую причину различия углов зап при активной и активно-индуктивной нагрузке. Трехфазный однотактный управляемый выпрямитель Трехфазный однотактный выпрямитель, или трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, имеет в своем составе вентильный блоки сетевой трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду с выводом нулевой точки этой обмотки. Тиристоры подключены к выводам вторичных обмоток своими анодами, а катоды их соединены в общую точку. Нагрузка подключена между нулевой точкой вторичной обмотки и общей точкой катодов вентилей. Общая точка катодов вентилей служит положительным полюсом выходного напряжения, а нулевая точка вторичной обмотки трансформатора отрицательным полюсом. Вентили поочередно пропускают ток через цепь нагрузки. На рис. 9 приведена электрическая схема этого выпрямителя. Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рис. 10. Токи в вентиле и соответствующей фазе вторичной обмотки трансформатора равны в = i 2 (для конкретных фаз в = а, в = i b, в = i c ) и протекают только на одном полупериоде напряжения переменного тока в течение временного такта θ = 2π/3. Поэтому этот преобразователь называют трехфазным однотактным. Начало ведения тока вентилем определяется моментом подачи импульсов управления u у.в на этот вентиль и характеризуется углом регулирования (или управления) α, отсчитываемым от точек пересечения фазных напряжений k, l, m – точек естественного открытия вентилей, в сторону отставания. Опережение импульсами управления точек k, l, m не приведет к естественной коммутации тока вентилей, так как в таком случае ток должен переходить с вентиля, имеющего более высокий потенциал анода, на вентиль с меньшим анодным потенциалом, что может быть осуществлено только с применением устройств принудительной коммутации или двухопера- ционных и полностью управляемых вентилей. На диаграмме рис. 10 принято α = 0. В каждый момент времени мгновенное значение выпрямленного напряжения u d (утолщенная кривая на рис. 10) определяется мгновенным значением кривой напряжения той фазы, с которой соединен работающий вен тиль. Среднее значение выпрямленного напряжения U d зависит от угла управленияи от режима работы схемы, который при этом имеет место. Так, для режима, соответствующего активно-индуктив- ному харкатеру нагрузки (L d = ∞) и α > π/6, прохождение анодного тока через вентиль не прекращается в течение такта θ, несмотря на то, что к концу интервала работы вентиля в фазе вторичной обмотки трансформатора появляется отрицательное напряжение. Это объясняется тем, что возникающая в процессе снижения анодного тока положительная ЭДС самоиндукции на L d уравновешивает отрицательное фазное напряжение, падение напряже- A B C T a b c 0 VS1 VS3 Рис. 9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора 42 ния в вентиле и активное падение напряжения в анодной цепи. Поэтому приток непрерывен при любом значений угла α и выражение для среднего значения выпрямленного напряжения имеет вид 6 2 cx 2 1 6 3 3 3 d 2 2 cos cos , d a U u t U k U π α α π где U dα – среднее значение выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя при α > 0°; 2 2 sin a u U t ω = ; U 2 – действующее значение вторичного фазного напряжения трансформатора k сх коэффициент преобразования схемы, для трехфазного однотактного преобразователя k сх = Рис. 10. Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного однотактного выпрямителя t ω t ω t ω t ω t ω t 0 u U U U u i k l m k l α =0 U d u u u u a b c a u d π 2 π 3 π 4 π θ = π 2 3 yVS1 yVS3 yVS5 ∆U = 0 в.пр u в 1 u в 3 U � � · · Среднее за период значение тока вентиля 6 â.cp 1 6 1 1 d 2 3 , a d I i t I π α π где а – ток фазы а вторичной обмотки трансформатора на интервале проводящего состояния вентиля VS1 равен току нагрузки i a = Действующее значение фазного тока схемной обмотки (вторичной) трансформатора и действующее значение тока вентиля 6 2 â.ä 2 1 6 1 1 d 2 3 a d I I i t I π α π Напряжение на каждом вентиле равно разности фазных напряжений фазы, подключенной к аноду того вентиля, на котором определяется напряжение, и фазы, подключенной к аноду работающего вентиля. Например, при работе вентиля VS3 напряжение на вентиле VS1 в = а – u b , а при работе вентиля VS5 вас (м. рис. 10). Следовательно, максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно амплитуде линейного вторичного напряжения трансформатора 2 При α = π/2 в соответствии с (40) U d = 0, что и определяет диапазон изменения угла регулирования выпрямителя при активно- индуктивном характере нагрузки (L d = ∞): 0≤ α При чисто активной нагрузке (L d = 0) прерывистый ток получается при углах регулирования α > π/6, а среднее значение выпрямленного напряжения при α > π/6 определяется по формуле 2 1 6 3 3 d 1 2 6 2 cos , d a U u t U π α π α π ω α π π + é ù æ ö÷ ç ê ú = = + + Нетрудно видеть, что в этом случае выходное напряжение будет равно нулю только при α = 5π/6. Напомним, что временные диаграммы рис. 10 характеризуют работу трехфазного неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом при угле регулирования α = Режим работы трансформаторов в этой схеме выпрямления, также как ив других схемах выпрямления, существенно отличается от работы их в линейных цепях переменного тока. В основе этого лежит несинусоидальность токов в схемных (вторичных) обмотках ив ряде схем еще и однополупериодность (однотактность) протекания токов по фазам вторичных обмоток. В результате создаются условия, приводящие к образованию постоянных составляющих токов во вторичных обмотках трансформатора см. рис. 10, кривую тока в = а = f(ωt)]. Несинусоидальность токов вторичных обмоток обусловливает также несинусоидальность токов в фазах первичных обмоток, нов токах этих обмоток отсутствуют постоянные составляющие. Дополнительной особенностью, связанной с различной формой первичных и вторичных токов, является различная величина действующих значений этих токов по отношению к среднему значению выпрямленного тока I d и, следовательно, различная величина расчетной мощности обмоток трансформаторов. |