Лекции по Силовой электронике. Лекции. Конспект лекций Красноярск 2007
 Скачать 6.02 Mb.
|
|
1.3.2 Трехфазный мостовой выпрямитель Схема трехфазного мостового выпрямителя, рисунок 1.3.3, содер- жит выпрямительный мост из шести вентилей, разбитых на две группы. Первая группа катодная, состоит из диодов VD 1 , VD 3 , VD 5 , катоды кото- рых соединены в одну точку, вторая группа анодная, включает в себя диоды VD 2 , VD 4 , VD 6 . Нагрузка под- ключается между точками соедине- ния катодов и анодов вентилей. В схеме возможно применение транс- форматоров первичные и вторичные обмотки, которых могут быть соеди- нены как треугольником, так и звез- дой. Схема может применяться и без трансформатора. Одновременно в проводящем состоянии находятся два диода, один из катодной группы, напряжение анода которого имеет наи- большую величину относительно нулевого вывода трансформатора, второй из анодной группы с наименьшим напряжением катода. То есть, в любой мо- мент времени в проводящем состоянии будут находиться те два накрест ле- жащих диода, между которыми действует наибольшее линейное напряжение. Из диаграмм, рисунок 1.3.4, а, б видно: - на интервале t 1 -t 2 открыты диоды VD 1 , VD 6 ; - на интервале t 2 -t 3 открыты диоды VD 1 , VD 2 ; - на интервале t 3 -t 4 открыты диоды VD 3 , VD 2 ; A B C R d a b c VD 4 VD 6 VD 2 VD 1 VD 3 VD 5 Рис. 1.3.3 28 - на интервале t 4 -t 5 открыты диоды VD 3 , VD 4 ; - на интервале t 5 -t 6 открыты диоды VD 5 , VD 4 ; - на интервале t 6 -t 7 открыты диоды VD 5 , VD 6 U 2 ωt ωt ωt ωt i VD1 i VD3 i VD5 i VD2 i VD4 i VD6 i 2a ωt U ab U aс U = 6 U об 2 =1,045 U d U VD1 U d а) б) в) г) д) t 1 t 3 t 5 t 7 U 2a U 2b U 2c Рис. 1.3.4 Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 3 2 π φ = , а интервал совместной работы двух вентилей равен 3 π . За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей или тактов, в связи с чем её называют шеститактной, рисунок 1.3.4, в. Среднее значение выпрямленного напряжения находят по среднему значению выпрямленного 29 напряжения за период проводимости 3 π . При работе на чисто активную на- грузку среднее значение выпрямленного напряжения: ( ) 2 2 2 2 6 6 34 2 6 3 6 sin 3 2 6 cos 3 2 3 1 U U U t d t U U d ≈ = = = ∫ − π π π ω ω π π π , то есть, по сравнению с трехфазной схемой с нулевым выводом вдвое боль- ше, что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и сни- жает требования к изоляции. Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке: dm dm d I I I 96 0 6 sin 6 = = π π Коэффициент пульсаций первой гармоники выпрямленного напряже- ния: ( ) 057 0 1 ) ( 2 2 1 п = − ⋅ = k m K Частота пульсаций первой гармоники: 300 1 = ⋅ ⋅ = f m k f Гц. Среднее значение тока диода: 3 ср d v I I = При открытом состоянии двух вентилей выпрямительного моста дру- гие четыре вентиля закрыты приложенным к ним обратным напряжением. Кривая обратного напряжения образуется так же, как и для трехфазной схе- мы с нулевым выводом, рисунок 1.3.4, д. Ее максимальная величина равна 30 амплитуде линейного напряжения. Однако так как среднее значение выпрям- ленного напряжения вдвое больше соотношение между выпрямленным и об- ратным напряжением в мостовой схеме более предпочтительно: d d обр U U U U U 045 1 3 6 3 2 2 2 = = = = π Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к одной фазе, рисунок 1.3.2, г. Вторичный ток является переменным с амплитудой тока d I и паузой между импульсами длительностью 3 π , когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная со- ставляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем, в трехфазном мос- товом выпрямителе нет вынужденно намагничивания сердечника трансфор- матора. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора: ( ) d dm dm dm I I I t d t I I 817 0 78 0 6 2 sin 3 1 cos 2 6 6 2 2 2 = = + = = ∫ − π π ω ω π π π Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора, равна рас- четной мощности первичной обмотки и расчетной полной мощности транс- форматора: d d d P I U I U m S S S 045 1 817 0 34 2 1 3 2 2 2 2 1 тр = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ = = = Трехфазный мостовой выпрямитель, из всех рассмотренных выше, об- ладает наилучшим коэффициентом использования мощности трансформато- ра, наименьшим относительным обратным напряжением на диоде, высокой частотой и малой амплитудой пульсации выпрямленного напряжения. Схема находит наиболее широкое применение в выпрямителях большой мощности. 31 1.4 Однофазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом трансформатора Регулирование величины выходного напряжения выпрямителей может осуществляться трансформатором с отпайками на вторичной стороне или ав- тотрансформатором. Или, например, введением подмагничиваемых постоян- ным током дросселей насыщения в первичной или вторичной обмотке трансформатора. Такие регуляторы напряжения при своей простоте имеют недостатки: низкий к.п.д., большую массу, габариты и стоимость. Значительно более широкое применение для регулирования напряже- ния на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во вре- мени моментом отпирания тиристоров. Если во всех схемах выпрямления рассмотренных раньше выпрямительные диоды заменить на тиристоры и по- давать на их управляющий электрод сигнал управления то получим схемы управляемых выпрямителей. Управляемые выпрямители выполняют сразу две функции: 1) преобразуют энергию переменного тока в энергию постоянного тока; 2) регулируют среднее значение выпрямленного напряжения от U d0 до 0 при увеличении угла регулирования α. U d0 - значение выпрямленного напряжения при угле регулирования α=0, т.е. выходное напряжение неуправляемого выпрямителя. α – угол регулирования, соответствует моменту подачи отпирающего им- пульса на управляющий электрод тиристора, относительно катода и откла- дывается от точки естественной коммутации, т.е. от того момента, когда бы открылся диод в неуправляемой схеме. 1.4.1 Работа однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку Принципиальная схема однофазного управляемого выпрямителя с ну- левым выводом трансформатора приведена на рисунке 1.4.1. 32 + + - R d VS 1 VS 2 U 21 U 21 U 1 СУ Рис. 1.4.1 Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна на- пряжения сети, полярность напряжения указана на рисунке. На интервале 0 – t 1 тиристоры VS 1 , VS 2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя U d = 0, рисунок 1.4.2. К тиристорам прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора (к VS 1 – в прямом направлении, к VS 2 – в обратном). Если сопротивления тиристоров в непроводящем состоянии счи- тать одинаковыми, то на интервале 0 – t 1 напряжение на тиристоре будет оп- ределятся величиной (U 21 + U 22 )/2=U 2 . В момент времени t 1 на управляющий электрод тиристора VS 1 поступает отпирающий импульс. В результате к на- грузке подключается напряжение U 21 . Через нагрузку протекает ток, в мо- мент времени t 2 =π ток тиристора VS 1 становится равным нулю и тиристор за- крывается. На интервале t 2 – t 3 оба тиристора закрыты. В момент t 3 подается отпирающий импульс на тиристор VS 2 . Отпирание этого тиристора подклю- чает к нагрузке вторичное напряжение U 22 , при этом к тиристору VS 1 под- ключается напряжение двух обмоток трансформатора равное 2U 2 . Макси- мальное обратное напряжение равно 2 2 2 U . В момент времени t4 в резуль- тате изменения полярности напряжения U 22 закрывается тиристор VS2, в дальнейшем процессы повторяются. 33 U 1 U d ωt t 1 t 2 t 3 t 4 ωt ωt ωt ωt ωt ωt i 1 i VS1 i VS2 , U упр VS1 U упрVS2 U VS1 Рис. 1.4.2 Ток первичной обмотки трансформатора связан со вторичными токами коэффициентом трансформации трансформатора и имеет паузы на интерва- 34 лах α. Его первая гармоника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания отно- сительно напряжения питания. U d ωt ωt ωt ωt α=0 U =U =0,9U d d0 2 60 120° ° 180° U =0 d Рис. 1.4.3 При изменении угла α среднее значение выпрямленного напряжения U d изменяется, при α = 0 U d равно напряжению неуправляемо выпрямителя. При увеличении угла управления среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается, рисунок 1.4.3. Зависимость напряжения U d от угла α называет- ся регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя, рису- нок 1.4.4. Регулировочная характеристика при чисто активной нагрузке ( 0 = н L ) определяется выражением: 35 ) cos 1 ( 2 0 α α + ⋅ = d d U U Рис. 1.4.4 Диапазон регулирования при чисто активной нагрузке для однофазных схем составляет π α ≤ ≤ 0 1.4.2 Влияние индуктивности в цепи нагрузки Наличие индуктивности в цепи нагрузки изменяет вид осциллограммы выпрямленного тока. После открывания тиристора ток плавно нарастает, что соответствует нарастанию энергии в индуктивности. При спадании тока эта энергия отдается обратно, в результате чего ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения питания через нуль, рисунок 1.4.5. Дли- тельность интервала проводимости тиристоров возрастает, и они остаются в открытом состоянии в течении некоторого интервала после изменения по- лярности напряжений U 1 , U 2 , в связи с чем в кривой выпрямленного напря- жения появляются участки напряжения отрицательной полярности, которые уменьшают среднее значение выпрямленного напряжения. Длительность этих участков зависит от соотношения τ = L н /R н и увеличиваются с ростом этого соотношения. Увеличение длительности проводящего состояния тири- 36 сторов приводит к изменению вида кривой обратного напряжения. В кривой появляется участок прямого напряжения с амплитудой 2U 2 . При некотором значении τ ток I d приобретает непрерывный характер. Рис. 1.4.5. При чисто индуктивной нагрузке ∞ → н L , рисунок 1.4.6 участки отри- цательной полярности в кривой напряжения U d полностью заполняют интер- валы α. Выпрямленный ток представляет из себя прямую линию. Токи тири- сторов имеют вид прямоугольных импульсов. Среднее значение тока тири- стора I a = I d /2. Потребляемый ток i 1 является переменным и имеет прямо- угольную форму. Его первая гармоника сдвинута в сторону отставания на 37 ωt ωt ωt ωt ωt ωt α U 1 I d i 1 i VS1 i VS2 U VS1 , U d Рис. 1.4.6 угол φ = α относительно напряжения питания. Кривая напряжения на тири- сторе состоит из участков напряжения 2U 2 . Максимальное обратное напря- жение равно 2 2 2 U , при α ≤ 90. Этому же значению равно и максимально 38 возможное прямое напряжение, при α ≥ 90. Регулировочная характеристика при ∞ → н L определяется выражением: α α cos 0 ⋅ = d d U U Диапазон регулирования при ∞ → н L для однофазных схем составляет 2 0 π α ≤ ≤ , рисунок 1.4.4. 1.5 Трехфазные управляемые выпрямители 1.5.1 Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом трансформатора Рис. 1.5.1. Схема получается путем замены диодов на тиристоры в схеме неуправ- ляемого трехфазного выпрямителя с нулевым выводом, рисунок 1.5.1. При активной нагрузке можно выделить два характерных режима рабо- ты схемы: Режим непрерывного тока. Диапазон изменения угла управления 6 0 π α ≤ ≤ . Угол управления отсчитывается от точки естественной коммута- ции, то есть от момента времени, в который бы открылся диод в неуправляе- мом трехфазном выпрямителе с нулевым выводом трансформатора, рису- нок 1.5.2. 39 Рис. 1.5.2. Каждый тиристор проводит одну треть периода. Среднее значение вы- прямленного напряжения: ( ) ( ) α ω ω π α π α π α cos cos 2 3 2 1 0 3 3 2 d d U t d t U U = = ∫ + + − , где 2 0 17 1 U U d = - среднее значение выпрямленного напряжения при угле управления 0 = α , определяется так же как для неуправляемого трехфазного выпрямителя с нулевым выводом. Режим прерывистого тока. Диапазон изменения угла управления: 6 5 6 π α π < < . В кривой выпрямленного тока появляется паузы в течении ко- торых мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю, рисунок 1.5.2. В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения: ( ) ( ) [ ] α π ω ω π π α π α + + = = ∫ + 6 cos 1 3 sin 2 3 2 1 0 6 2 d d U t d t U U 40 Предельный угол управления при работе на чисто активную нагрузку равен 6 5 π . Максимальное обратное напряжение на вентиле, такое же, как в не- управляемой схеме: d U U U 09 2 6 2 обр.max = = Максимальное прямое напряжение: ( ) α sin 2 2 пр.max U U = Рис. 1.5.3. При работе управляемого выпрямителя на активно-индуктивную при углах управления больше 6 π в кривой выпрямленного напряжения появля- ются интервалы отрицательного напряжения, рисунок 1.5.3. При увеличении индуктивности нагрузки площадь отрицательных участков увеличивается. При работе на нагрузку с ∞ → L площадь отрицательных участков стремится 41 к площади положительных участков выпрямленного напряжения. Макси- мальный угол управления при работе на чисто индуктивную нагрузку равен 2 π . Среднее значение выпрямленного напряжения при работе на активно- индуктивную нагрузку с непрерывным выпрямленным током: ( ) α α cos 0 d d U U = Среднее значение выпрямленного напряжения при работе на активно- индуктивную нагрузку в режиме прерывистого тока зависит от параметров нагрузки и в каждом конкретном случае описывается своим выражением. Рис. 1.5.4. На рисунке 1.5.4 приведены регулировочные характеристики трехфаз- ного выпрямителя с нулевым выводом при работе на чисто активную и чисто индуктивную нагрузку. Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на реальную активно-индуктивную характеристику будет распола- гаться между этих двух характеристик. |