|
|
ответы. СЭ. Экзаменационные вопросы по предмету сэ
Трехфазные выпрямители.
Схема выпрямителя трехфазного питания применяется в основном для питания потребителей средней и большой мощности.
Первичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей состоит из трех фаз и соединяется либо в звезду, либо в треугольник. Вторичная обмотка трансформатора (их может быть несколько), также трехфазная. С помощью специальных схем соединения вторичной обмотки и всего выпрямителя, можно получить выпрямленное напряжение с числом пульсаций за период, кратным трем. С возрастанием числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих элементов фильтров, либо вообще отпадает необходимость в них. Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока, и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.
Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда).
В схему трехфазного выпрямителя со средней (нулевой) точкой входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и среднему выводу вторичных обмоток (рис. 1.5, а).
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 1.5, б. В идеализированной схеме, без учета индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и полагая вентили идеальными, коммутация токов, т.е. переход тока с одного вентиля на другой, проходит мгновенно и в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал.
Рис. 1.5. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. За период напряжения питания через каждую вторичную обмотку однократно протекает однополярный ток, при этом интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3 (120º). Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате в нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение ud, представляющее собой участки фазных напряжений вторичных обмоток и содержащее трехкратные пульсации за период.
Достоинства схемы: малое число диодов и, соответственно, малое падение напряжения на них и поэтому может быть использована для выпрямления низких напряжений при повышенных мощностях (свыше 500 Вт); высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения – три частоты питающей сети, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра.
Недостатки: значительное обратное напряжение на диодах, низкий коэффициент использования трансформатора за счет явления подмагничивания магнитопровода.
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова).
Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема применяется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.
Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.
Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).
Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).
Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора U2, как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжение Ud данного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значении Ud величина U2 будет в два раза меньше.
В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.
За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). При этом интервал совместной работы двух вентилей равен π/3 (60º).
Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.
24-25. 12 фазная схема выпрямления
Такие схемы могут быть использованы для различных целей /17/: получения меньших пульсаций выпрямленного напряжения, снижения высших гармонических в кривой сетевого тока, создания агрегата на более высокие напряжения и ток. Двенадцатипульсовые схемы разделяются на эквивалентные и собственные. Эквивалентные схемы строятся на основе последовательного или параллельного соединения двух шестипульсовых схем выпрямления. Преобразовательные трансформаторы каждой схемы выполняются с различными группами соединения (например, Y/Yи 17Д). Этим достигается сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформаторов на — = 30 эл. град, и соответствующий сдвиг кривых выпрямленного напряжения udj и на 30 эл. град. Результирующее выпрямленное напряжение получается двенадцатипульсовым за счет суммирования двух шести- пульсовых при последовательном соединении схем или за счет полусуммы двух шестипульсовых при параллельном соединении схем.
Собственные двенадцатипульсовые схемы строятся на основе преобразовательного трансформатора с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединяется звездой, а вторая — треугольником. К каждой обмотке присоединяется мостовая выпрямительная схема. Выпрямительные мосты могут соединяться между собой по цепи выпрямленного тока параллельно или последовательно. Схема параллельного типа отличается тем, что требует очень точного соблюдения равенства сопротивлений обеих вторичных обмоток. Для этого применяется специальная поэтажная компоновка обмоток на сердечниках магнитопровода, что усложняет изготовление трансформатора. Поэтому применение нашла схема последовательного типа.
Рассмотрим собственную двенадцатипульсовую двухмостовую схему последовательного типа (рис. 11.12) со схемой соединения первичных обмоток звездой, вторичных — звездой и треугольником с группой соединения 0,1. Для схемы соединения звездой коэффициент трансформации kj3 = Wj/w2i, для схемы соединения треугольником  поскольку число витков 
 Соединение одной вторичной обмотки в звезду (группа соединения 0) и другой обмотки в треугольник (группа соединения 1) обуславливает сдвиг по фазе коммутирующих напряжений двух вторичных обмоток на  эл. град. (рис. 11.13).
Линейное напряжение вторичной обмотки (звезда) определяет выпрямленное напряжение udVНапряжение и22, являющееся фазным для обмотки, соединенной треугольником, формирует кривую напряжения и^ (на рис. 11.13 показано соответствующими стрелками). Моменты переключения диодов отмечены точками 1 — 1, 2—1, 3—1 и т.д. для звезды, а точками 1—2, 2—2, 3—2 и т.д. — для тре-
Рис. 11.12. Двенадцатипульсовая схема выпрямления последовательного типа с преобразовательным трансформатором (первичная обмотка соединена звездой, вторичная — звездой или треугольником; группа соединения 0, 1) и векторные диаграммы напряжений
Рис. 11.13. Временные диаграммы напряжений и токов двенадцатипульсовой
схемы выпрямления угольника.
Результирующее выпрямленное напряжение ud представляет сумму мгновенных значений напряжения на выходе обеих схем ud = udi + и^. Это напряжение имеет двенадцать пульсаций за период.
Разные напряжения вторичных обмоток принимаются такими, чтобы средние значения выпрямленных напряжений обоих мостов Ud 1 и Ufa были равными. Для этого необходимо выдерживать соотношение Е22= Е2, где Е21, Е22 — эффективные значения фазных напряжений вторичных обмоток на холостом ходу.
Выпрямители (Kl, V2) в этой схеме работают самостоятельно. На каждом интервале ток id проводят четыре диода: два в схеме выпрямления К1 и два в схеме VI. Например, на интервале повторяемости выпрямленного напряжения  контур тока нагрузки
замыкается через обмотки фаз Ь] и я,, диод VD катодной группы VI, Ld — Rd, диод VD2 анодной группы V2, параллельно включенные обмотки Ь2 и а2 — с2, диод VD 1 катодной группы V2, диод VD6 анодной группы F1.
Мгновенные значения токов вторичных обмоток равны: /д1 = id,
 При этом последовательность переключения диодов в каждой схеме сохраняется такой же, как в обычной мостовой шестипульсовой схеме с соответствующей группой соединения обмоток трансформатора. Формы токов в фазах вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник, получаются различными (см. рис. 11.13). Ток первичной обмотки формируется в соответствии с результирующими ампер- витками /jWj= /2]W21 + *22w22- Так как при равенстве 
 ток первичной обмотки на любом интервале 
 При допущении идеального сглаживания на рассматриваемом интервале  (см. рис. 11.13) 
 Тогда на этом интервале 
 . На последующих интервалах кривая тока /j формируется на этом же принципе. В результате кривая il получает ступенчатую форму, незначительно отличающуюся от синусоидальной. Улучшение формы тока способствует повышению коэффициента мощности, снижению потерь от высших гармонических в питающей сети и в первичной обмотке преобразовательного трансформатора.
Основные расчетные зависимости для каждой из выпрямительных схем остаются такими же, как для шестипульсовых схем выпрямления.
Общие же расчетные соотношения имеют следующие значения.
Среднее значение выпрямленного напряжения
При симметричных по среднему выпрямленному напряжению выпрямителях VI и V2 (Udl= U^)фазные напряжения принимают согласно соотношению (11.44). Тогда среднее значение выпрямленного напряжения, выраженное через фазное напряжение вторичной обмотки, соединенной в звезду,
Среднее значение тока диода
Максимальное обратное напряжение диода 
Эффективное значение токов вторичных обмоток трансформатора:
для звезды 
для треугольника
Эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора
Использование трансформатора в двенадцатипульсовой схеме примерно такое же, как в мостовой шестипульсовой схеме. Некоторое повышение связано с лучшим использованием первичной обмотки вследствие более благоприятной формы тока.
26. Сравнение параметров различных схем однофазных выпрямителей
Выпрямитель используется в цепи переменного тока для его преобразования в постоянный. Наиболее распространенным является выпрямитель, собранный из полупроводниковых диодов. При этом он, может быть собрать из дискретных (отдельных) диодов, либо быть в одном корпусе (диодная сборка).
Самая простая схема состоит всего лишь из одного диода, даёт на выходе постоянное нестабилизированное пульсирующее напряжение. Диоды подключается в цепь питания на фазный провод, либо на один из выводов обмотки трансформатора, вторым концом к нагрузке, второй полюс нагрузки – к нулевому проводу или второму выводу обмотки трансформатора.
Действующее значение напряжение в нагрузке равняется примерно половине амплитудного. Амплитудное значение напряжения это размах синусоиды питающей сети в общем случае для переменного тока
Uампл = Uдейств * √2.
Для электросетей России действующие напряжение однофазной сети – 220 В, а амплитудное примерно 311
Простыми словами – на выходе мы получаем пульсации длиною в пол периода (20 мс для 50 Гц) от 0 В, до 311 В. В среднем напряжение получается меньше чем 220 вольт, это используют для питания нетребовательных к качеству напряжения потребителей или для включения ламп накаливания в подсобных, хозяйственных помещениях и подъездах. Так снижается потребляемая мощность и возрастает срок службы.
Сравнение схем можно провести по главным показателям: габаритной мощности, числу диодов, обратному напряжению на диоде, коэффициенту пульсаций выпрямленного напряжения, другим показателям качества выпрямления.
Однофазная однотактная однополупериодная схема наиболее проста, содержит один диод, однако она имеет максимальное значение габаритной мощности трансформатора, коэффициента пульсаций и обратного напряжения на диоде, и поэтому она применяется только в выпрямителях со сглаживающими фильтрами или в тех случаях, когда допустимы большие пульсации выпрямленного напряжения.
Двухфазная однотактная однополупериодная схема с выводом средней (нулевой) точки трансформатора имеет два диода. Имея ряд преимуществ перед однофазной однополупериодной схемой, данная схема по сравнению с однофазной мостовой схемой выпрямления обладает большими значениями обратного напряжения на диоде и вдвое большим числом витков вторичной обмотки трансформатора; кроме того, конструкция трансформатора усложнена выводом от середины этой обмотки. Несмотря на указанные недостатки, двухполупериодная схема широко применяется в маломощных выпрямителях РЭС.
Однофазная двухтактная двухполупериодная (мостовая) схема имеет ряд преимуществ перед двумя названными: меньшие значения габаритной мощности, обратное напряжение на диоде и напряжение вторичной обмотки; однако необходимость использования четырех диодов является ее недостатком. На практике, правда, может оказаться, что в двухполупериодной схеме со средней точкой трансформатора необходимо применить тоже четыре диода (для уменьшения обратного напряжения на них), таким образом, указанный недостаток мостовой схемы является не столь ощутимым. Однофазная мостовая и двухполупериодная с выводом нулевой точки схемы выпрямления применяются в маломощных ИВЭ при сравнительно невысоких выходных напряжениях (до 600 В).
27. Сравнение параметров различных схем трехфазных выпрямителей
Трехфазная с выводом нулевой точки схема выпрямления (схема Миткевича) является наиболее простой из многофазных схем, но имеет наибольший коэффициент пульсаций, а также наибольшие значения обратного напряжения на вентиле и габаритной мощности трансформатора. Эта трехфазная схема выпрямления используется для получения напряжения не выше 1000 В и мощности в нагрузке несколько киловатт.
Трехфазная мостовая схема широко применяется в выпрямителях средней и большой мощности РЭСБН как при высоком, так и при сравнительно низком выходных напряжениях.
Выпрямители, выполненные по первым трем схемам, как правило, работают на нагрузку с емкостной реакцией, а выпрямители, выполненные по многофазным схемам, - на нагрузку с индуктивной реакцией. Применение однофазных схем выпрямления при наличии трехфазной сети ведет к неравномерности ее нагрузки по фазам. Поэтому однофазные схемы при трехфазном питании выполняются на мощность не более 1кВт. При большей мощности целесообразно применять многофазные схемы выпрямления.
28. Вертикальная система импульсно-фазового управления выпрямителя
Cистемы управления, в которых управляющий сигнал имеет форму импульса, фазу которого можно регулировать, называют импульсно-фазовыми.
Системы импульсно-фазового управления по способу синхронизации делятся на два основных класса – синхронные СИФУ и асинхронные СИФУ. При синхронном импульсно-фазовом управлении угол подачи управляемого импульса отсчитывают от определенной фазы напряжения сети, питающей выпрямитель.
В зависимости от способа получения сдвига управляющих импульсов различают системы, построенные по горизонтальным и вертикальным принципам управления.
При вертикальном принципе управления (рис.4.5) напряжение управления сравнивается с опорным переменным напряжением (синусоидальным, пилообразным и т.д.). В момент времени, когда эти напряжения становятся равными и их разность изменяет полярность, происходит формирование импульса. Фазу импульса можно регулировать, изменяя величину постоянного напряжения управления.
Рис.4.5. Функциональная схема СИФУ для однофазного мостового выпрямителя
Вертикальная шестиканальная система управления трехфазным мостовым выпрямителем (рис.4.7) состоит из синхронизатора (С), шести фазосдвигающих устройств (ФСУ1-ФСУ6), шести формирователей импульсов (ФИ1-ФИ6), шести выходных каскадов (ВК1-ВК6). Принцип работы этой схемы аналогичен работе схемы (рис.4.5).
Рис. 4.7. Функциональная схема шестиканального СИФУ для трехфазной мостовой схемы
29. Гармонический состав выпрямленного напряжения
Во всех электрических цепях, содержащих полупроводниковые устройства, напряжение и ток чаще всего имеют несинусоидальную форму. Это является основой рабочего процесса самого устройства.
Выпрямленное напряжение ud можно представить в виде двух составляющих: постоянной, т.е. значения Ud , и переменной  , которая является периодической, но имеет несинусоидальную форму
Несинусоидальная функция является периодической, если она удовлетворяет условию  , где Т - период функции, k – целое число (рис. 3.11). Как известно из математики, такая гармоническая функция может быть представлена в виде гармонического ряда.
Поэтому составляющая выпрямленного напряжения выражается гармоническим рядом:
 ,
или
 ,
где m – число пульсаций в выпрямленном напряжении за один период фазного напряжения источника Т;
ν – номер гармонической составляющей выпрямленного напряжения;
 и  - амплитуда и начальная фаза ν-ой гармонической составляющей выпрямленного напряжения .
Значения частот гармонических составляющих выпрямленного напряжения
 .
Например, для частоты напряжения источника f1=50Гц частота первой гармонической выпрямленного напряжения  будет иметь значения:
- 100 Гц для однофазной мостовой схемы (m=2);
- 300 Гц для трехфазной мостовой схемы (m=6).
Действующее значение напряжения udравно
 ,
где  - действующие значения гармонических составляющих напряжения.
Амплитуда ν-ой гармонической составляющей выпрямленного напряжения для схем, работающих с углом управления  определяется как
 (3.22)
Согласно (3.22) самое большое значение имеет амплитуда первой гармонической составляющей, а остальные убывают обратно пропорционально квадрату порядкового номера самой составляющей.
При угле управления системы выпрямления  гармонический состав в переменной составляющей выпрямленного напряжения меняется: из рис. 3.4, 3.6 , 3.7, 3.9,3.10 видно, что с ростом  растет пульсация напряжения, а следовательно увеличивается его переменная составляющая.
При условии непрерывности выпрямленного тока  , что соответствует наиболее распространенному режиму работы на активно-индуктивную нагрузку, амплитуды гармонических составляющих переменной составляющей выпрямленного напряжения в зависимости от угла управления  выражаются зависимостью
 , (3.23)
где  - среднее значение выпрямленного напряжения при :  - для мостовой однофазной схемы выпрямления;
 - для мостовой трехфазной схемы выпрямления.
Значение переменной составляющей в выпрямленном напряжении оценивается коэффициентом пульсаций kП, который определяется как отношение амплитуды первой гармонической выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения
 . (3.24)
В зависимости от числа пульсаций выпрямленного напряжения меняется значение kП. С учетом (3.22) при однофазной мостовой схеме выпрямления и активной нагрузке m=2 и kП=2/3 ; при трехфазной мостовой схеме выпрямления m=6 и kП=2/35.
В общем случае для того, чтобы определить зависимость среднего значения выпрямленного напряжения при различном числе его пульсаций m (при любом значении m)в схемахс достаточно проинтегрировать мгновенное значение напряжения
на интервале одной пульсации  и взять его среднее значение (рис. 3.12). Вследствие повторяемости напряжения ud его среднее значение на интервале T/m, будет таким же, как и на всем периоде Т. С учетом того, что период фазного напряжения 
Например, при трехфазной неуправляемой мостовой схеме выпрямления m=6 и  (рис. 3.8).
При использовании выпрямителей (даже если система включена на источник синусоидального напряжения) нагрузка чаще всего будет потреблять также несинусоидальный ток.
Действующие значение несинусоидального периодическоготока равны
 ,
где  - действующие значения гармонических составляющих тока.
Если учесть, что амплитуды гармонических составляющих  связаны с амплитудой основной гармонической  соотношением 
 , то очевидно, что с увеличением числа фаз схемы выпрямления (с увеличением числа пульсаций m) потребляемый из сети ток приближается к синусоидальному, т.к. амплитуды высших гармонических уменьшаются.
Если нагрузка активная или активно-индуктивная, но не обеспечивается режим непрерывного тока , то с увеличением происходит увеличение амплитуд высших гармонических составляющих потребляемого тока.
Гармонический состав выпрямленного тока влияет на к.п.д. системы, т.к. каждая гармоника вызывает дополнительные потери и искажает форму кривой питающего напряжения.
Активная мощность выпрямленного тока равна сумме мощности постоянной составляющей (мощности постоянного тока) и активных мощностей всех его гармонических составляющих:
где  - сдвиг фаз гармонических составляющих напряжения и тока.
Реактивной мощностью выпрямленного тока можно считать величину
 .
Однако полная (кажущаяся) мощность несинусоидального тока
т.к. в ее выражение входят также произведения типа  .
Мощностью искажения называется величина
 ,
т.к. она обусловлена только несинусоидальностью напряжений и токов.
30. Внешняя характеристика выпрямителя
|
|
|
Скачать 1.49 Mb.