Конспект лекций по дисциплине силовая электроника по направлению 140400. 62
 Скачать 1.41 Mb.
|
1.8 Двенадцатифазные схемы выпрямленияДвенадцатифазные схемы выпрямления применяются при достаточно больших (сотни и тысячи киловатт) мощностях нагрузки. Это обусловлено тем, что с увеличением фазности снижается уровень пульсаций выпрямленного напряжения и улучшается форма потребляемого от сети переменного тока, то есть можно обойтись без громоздких фильтров как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока. За улучшение качества выпрямленного напряжения и потребляемого из сети тока приходится расплачиваться усложнением схемы выпрямления. Двенадцатифазная мостовая схема выпрямления требует для своего питания шестифазную систему напряжений, двенадцатифазная нулевая схема выпрямления требует для своего питания двенадцатифазную систему напряжений, поэтому практическое применение нашли только мостовые двенадцатифазные схемы выпрямления. Шестифазная система напряжений получается путем расщепления фаз на разделительном трансформаторе. Оптимальным является создание на вторичных обмотках разделительного трансформатора потенциально не связанных двух трехфазных систем напряжения, с относительным сдвигом по фазе 30 эл. градусов. Относительный сдвиг 30 эл. градусов получается при соединении одной группы вторичных обмоток трансформатора звездой, а второй группы обмоток треугольником. При наличии двух потенциально не связанных трехфазных систем напряжения двенадцатифазная схема выпрямления может быть получена путем параллельного или последовательного включения двух мостовых шестифазных схем выпрямления (двух трехфазных выпрямительных мостов). Принципиальная схема двенадцатифазной схемы выпрямления с параллельным включением трехфазных выпрямительных мостов приведена на рис. 1. Вторичные обмотки w2 разделительного трансформатора TV включены звездой, а вторичные обмотки w3 треугольником. Для получения одинаковых линейных напряжений на входах трехфазных мостов UZ1 и UZ2 (только при этом условии мосты могут быть включены параллельно) должно выполняться следующее соотношение между числом витков вторичных обмоток  .В качестве нагрузки схемы выпрямления на рис. 1.34 показан источник тока. Реальная нагрузка блика по своему характеру к источнику тока, если содержит последовательно включенную индуктивность. Учет нагрузки в виде источника тока существенно упрощает анализ работы выпрямителя. При отсутствии уравнительных индуктивностей L1, L2 мосты оказывают существенное влияние на работу вентилей в параллельном мосте. Это влияние поясняется на рис. 1.35, где: ud1, ud2 - выходные напряжения, соответственно, моста UZ1 и UZ2; ud – результирующее выходное напряжение двенадцатифазной схемы выпрямления.  Рис. 1.34 Двенадцатифазная СВ с параллельным включением мостов  Рис. 1.35 Формирование выходного напряжения двенадцатифазной СВ с параллельно включенными мостами без уравнительных индуктивностей При отсутствии уравнительных индуктивностей выходное напряжение двенадцатифазной СВ равно напряжению моста, имеющему в данный момент максимальное напряжения, при этом вентили другого моста оказываются закрытыми. Вентили мостов непрерывно открыты в течении 15 эл. градусов, соответственно фазные токи трансформатора формируются из коротких импульсов, потери в обмотках трансформатора получаются завышенными, соответственно завышенной оказывается и габаритная мощность трансформатора. Поэтому схема без уравнительных индуктивностей не нашла практического применения. Уравнительные индуктивности сглаживают и выравнивают токи мостов, делая их непрерывными, соответственно устраняется взаимное влияние мостов друг на друга. С уравнительными индуктивностями работа мостов ничем не отличается от их работы в шестифазной СВ, вентили остаются непрерывно открытыми в течении 120 эл. градусов, трансформатор используется лучше и имеет меньшую габаритную мощность. Если ток в нагрузке неизменен  , то производные уравнительных токов в индуктивностях равны по величине и противоположны по знаку . (1.52)При равенстве уравнительных индуктивностей L1 = L2 выходное напряжение двенадцатифазной СВ равно полусумме напряжений мостов  , что иллюстрирует рис.1.36. Рис. 1.36 Формирование выходного напряжения двенадцатифазной СВ с параллельно включенными мостами при наличии уравнительных индуктивностей Для равномерного распределения постоянной составляющей тока нагрузки между параллельно включенными мостами средние значения напряжений ud1 и ud2 должны быть равны, что особенно трудно выполнить в управляемых выпрямителях, кода возможна асимметрия в управлении мостами. Проблемы, связанные с обеспечением равномерной загрузкой мостов током, являются основной причиной, ограничивающей применение двенадцатифазных СВ с параллельным включением мостов. При последовательном включении мостов равномерная загрузка их током обеспечивается автоматически, так как ток последовательно протекает через оба моста. Отпадает необходимость в уравнительных индуктивностях, не требуется равенства линейных входных напряжений первого и второго моста, мосты могут работать с разными углами управления, управляемый мост может работать с неуправляемым мостом. Принципиальная схема двенадцатифазной СВ с последовательным включением мостов приведена на рис. 1.37. Трансформатор TV имеет две вторичных трехфазных обмотки, включенных в звезду и треугольник. Для получения минимальных пульсаций выходного напряжения СВ желательно соблюдать условие (1).  Рис. 1.37 Двенадцатифазная СВ с последовательным включением мостов При последовательном включении мостов одновременно должны быть открыты не менее четырех вентилей, соответственно на каждый управляемый вентиль должно подаваться или четыре импульса, сдвинутых на 30 эл. градусов относительно друг друга, или один импульс (или пачка высокочастотных импульсов) длительностью более 90 эл. градусов. Протекание тока нагрузки через мосты в интервале, когда вентили V1, V2, V7 и V12 открыты, показано на рис.1.38 красным цветом. Токи всех четырех открытых вентилей, а также токи iA2, iC2 равны выходному току Id. Во вторичной обмотке w3 токи протекают во всех трех фазных обмотках. Порядок работы вентилей при непрерывном токе нагрузки и отсутствии процесса коммутации показан на рис. 1.39 В управляемом выпрямителе порядок работы отличается только общим сдвигом всех интервалов вправо на угол управления .  Рис. 1.38 Протекание тока через мосты двенадцатифазной СВ  Рис. 1.39 Порядок работы вентилей в двенадцатифазной СВ при отсутствии процесса коммутации На интервале повторяемости, длящемся 30 эл. градусов, выходное напряжение ud складывается из суммы линейных напряжений обмоток w1 и w2, которые равны своему значению и сдвинуты на 30 эл. градусов. Если в качестве базового напряжения UФ взять действующее напряжение фазы обмотки w2, то амплитуда синусоидального напряжения, из участков которого формируется выходное напряжение ud, равна  , (1.53)а напряжение на участке повторяемости описывается уравнением  , где  . (1.54)Среднее выходное напряжения двенадцатифазной СВ при нулевом угле управления  или при неуправляемом выпрямителе равно .(1.5)Токи всех четырех открытых вентилях, а также токи iA2, iC2 равны выходному току Id. Во вторичной обмотке w3 токи протекают во всех трех фазных обмотках. На рис. 1.39 приведены формы фазных токов iA1, iA2, iA3 обмоток w1, w2, w3 трансформатора TV и схемы замещения для каждого временного интервала, поясняющие распределение тока между фазами обмотки w3.  Рис. 1.39 Форма фазных токов обмоток трансформатора TV Ток фазы iA2 формируется из токов вентилей V1 и V4 и представляет собой два прямоугольных участка с амплитудой равной току Id и длительностью по 120 эл. градусов. Ток фазы iA3 формируется из тока Id, который, разветвляясь по двум ветвям, создает в фазах обмотки w3 участки токов с амплитудами  и  .Если коэффициенты трансформации трансформатора TV равны  , а  , (1.56)то ток обмотки w2трансформируется в обмотку w1 c коэффициентом n2 = 1, а ток обмотки w3 трансформируется в обмотку w1 c коэффициентом  . В токе iA1 будут участки с амплитудами  ,  и  .Интерес представляет связь действующих значений токов отдельных обмоток трансформатора TV с выпрямленным током, так как сечение проводов обмоток трансформатора выбирается по действующим значениям их токов. Действующее значение фазного тока обмотки w1 трансформатора TV   . (1.57)Действующее значение фазного тока обмотки w2 трансформатора TV  . (1.58)Действующее значение фазного тока обмотки w3 трансформатора TV  . (1.59)Действующие значения первых гармоник токов трансформатора TV найдем, разложив токи в ряд Фурье. Учтем, что для токов, приведенных на рис.7, косинусоидальные составляющие равны нулю, а для первой гармоники действующее значение в  раз меньше амплитудного.Действующее значение первой гармоники фазного тока обмотки w1    .(1.60)Действующее значение первой гармоники фазного тока обмотки w2   . (1.61)Действующее значение первой гармоники фазного тока обмотки w3   .(1.62)Коэффициенты гармоник или относительное содержание высших гармоник в токах трансформатора.  , или 15.2%. ,или 31,1%. ,или 31,1%.Коэффициенты гармоник вторичных обмоток трансформатора такие же, как у шестифазной мостовой схемы выпрямления, а коэффициент гармоник первичной обмотки существенно ниже, то есть двенадцатифазная схема выпрямление оказывает существенно меньшее негативное влияние на питающую сеть, чем все ранее рассмотренные схемы выпрямления. Габаритную мощность трансформатора TV определим, считая, что для коэффициентов трансформации выполняются условия (1.56).   , (1.62)где UФ – базовое напряжение, равное действующему фазному напряжению обмотки w2, Id – средний выпрямленный ток. Мощность цепи постоянного тока равна произведению средних значений выпрямленного тока и напряжения, или с учетом выражения (1.55)  .Габаритная относительная мощность трансформатора  .Габаритная относительная мощность трансформатора близка к единице, что говорит о хорошем использовании трансформатора и меньшем, относительно предыдущих схем выпрямления, уровне высших гармоник в токах трансформатора. Реверсивные управляемые выпрямители Схема реверсивного выпрямителя с одним комплектом управляемого выпрямителя и контактным реверсом приведена ниже. П олярность на нагрузке определяется включенным контактором «Вперед» (В) или «Назад» (Н). Контакторы выполняют переключение при нулевом токе выпрямителя, то есть могут обходится без громоздкой дугогасительной системы и дугоустойчивых контактов. Для этого выпускались специальные быстродействующие контакторы. Данная схема применялась для приводов не требующих частого и быстрого реверса, например для судовых кранов. Двухмостовые реверсивные выпрямители с совместным управлением Двухмостовые реверсивные выпрямители могут питаться раздельными трехфазными напряжениями или одним трехфазным напряжением. Совместным управлением называется одновременное управление обоими мостами, при этом один мост находится в выпрямительном а второй в инверторном режиме.  Для углов управления мостами должно выполнятся условие:  . Это обеспечивает отсутствие постоянного уравнительного тока, но остаются уравнительные токи высших гармоник. Для ограничения высших гармоник устанавливаются дроссели, что усложняет силовую часть. Характеристики СИФУ Режимы работы мостов |