Конспект лекций по дисциплине силовая электроника по направлению 140400. 62

• Название: Конспект лекций по дисциплине силовая электроника по направлению 140400. 62
• Дата: 06.06.2022
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: Konspekt_po_SE_Ch1.doc
• Тип: Конспект лекций; #572801
• страница: 8 из 12

1.5 Шестифазная схема выпрямления

Шестифазную схему выпрямления (рис. 1.22) можно рассматривать как последовательное включение двух трехфазных схем с катодными и анодными группами вентилей. Выпрямитель управляемый, но при угле управления = 0 эл. градусов он ведет себя как неуправляемый выпрямитель. При индуктивном сопротивлении равном нулю приходим к варианту с чисто активной нагрузкой.

Далее считаем трансформатор идеальным, то есть с нулевыми фазными сопротивлениями и отсутствием тока намагничивания магнитопровода.



а) б)

Рис. 1.22 шестифазная схема выпрямления : а) – при работе 1-го и 2-го вентилей; б) : а) – при работе 2-го и 3-го вентилей
При неуправляемом выпрямителе всегда открыты два диода: в катодной группе в фазе с максимальным положительным, а в анодной группе в фазе с максимальным отрицательным сопротивлением. В результате выходное напряжение в течении периода формируется из шести участков линейного напряжения. На рис. 1.22, а показан путь для тока при работе первого и второго вентиля, а на рис. 1.22, б при работе второго и третьего вентиля.

На рис. 1.23 показаны временные диаграммы неуправляемой шестифазной схемы при чисто активной нагрузке. Диоды, как и в трехфазной схеме выпрямления, открываются при 30^о своего фазного напряжения.

На рис. 1.24 показаны временные диаграммы при угле управления 60^о. 60^о – это предельный угол, при котором ток еще остается непрерывным.

На рис. 1.25 показаны временные диаграммы при угле управления 90^о. Хорошо видно, что ток каждого вентиля имеет нулевой участок, то есть тиристор закрывается и должен быть повторно отрытым при включении следующего тиристора.

При активно-индуктивной нагрузке и углах управления больших 60^о возможны случаи непрерывного и прерывистого тока, как показано на рис. 1.26.


Рис. 1.23 Временные диаграммы неуправляемой шестифазной схемы


Рис. 1.24 Временные диаграммы управляемой шестифазной схемы при угле управления 60^о


Рис. 1.25 Временные диаграммы управляемой шестифазной схемы при угле управления 90^о


а)



б)

Рис. 1.26 Временные диаграммы управляемой шестифазной схемы при угле управления 75^о: а) – при прерывистом токе; б) – при непрерывном токе
При угле управления большем 90о и непрерывном токе шестифазная схема выпрямления переходит в инверторный режим, для этого в цепи постоянного тока должен присутствовать источник энергии.

1.6. Основные характеристики выпрямителей

1.6.1. Регулировочная характеристика m - фазного выпрямителя при непрерывном выходном токе

Регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя называется зависимость среднего значения выходного напряжения выпрямителя от угла управления . Регулировочная характеристика определяет регулировочные возможности управляемого выпрямителя, а ее вид зависит от характера нагрузки выпрямителя.

Выходное напряжение выпрямителя u_dсостоит из m повторяющихся участков протяженностью , где m – фазность выпрямления. При нулевом угле управления участок повторения формируется из фазного напряжения питания для нулевых и линейного напряжения питания для мостовых схем в районе максимума этих напряжений. На рис.1.27, а показан интервал повторяемости, при условии, что напряжение питания, формирующее выходное напряжение u_d на данном участке, описывается косинусоидальной функцией , где U_dm амплитуда соответствующего фазного (для нулевых СВ), или линейного (для мостовых СВ) напряжения питания. Если ток выпрямителя непрерывен, то при угле управления интервал повторяемости сдвигается вправо на угол , как это показано на рис.1.27, б.



Рис. 1.27 Выходное напряжение выпрямителя на интервале повторяемости: а) – при нулевом угле управления; б) – при ненулевом угле управления и непрерывном токе; в) – при ненулевом угле управления и чисто активной нагрузке; г) – при ненулевом угле управления и активно-индуктивной нагрузке
При непрерывном выходном токе выходное напряжение выпрямителя формируется из m повторяющихся участков (рис.1.27, б), а его среднее значение равно



. (1.7)

В результате, регулировочная характеристика выпрямителя при непрерывном выходном токе описывается зависимостью

, (1.8)

где U_d0 - выходное напряжение выпрямителя при нулевом угле управления

. (1.9)

При чисто активной нагрузке регулировочная характеристика m – фазного выпрямителя состоит из двух участков.

Первый участок соответствует непрерывному напряжению и току выпрямителя. Как видно из рис.1.27, в это условие выполняется, если

, или при . (1.10)

Для первого участка справедливо выражение (1.8), которое получено для непрерывного тока.

Второй участок регулировочной характеристики соответствует углам управления , когда на интервале повторяемости присутствуют участки нулевого выходного напряжения. Для этого участка среднее значение выходного напряжения равно

. (1.11)

На рис. 2 приведены относительные регулировочные характеристики выпрямителей. При активной нагрузке для двухфазной схемы выпрямления вся характеристика описывается уравнением (1.11), то есть существует только режим прерывистых токов, для остальных схем выпрямления регулировочные характеристики состоят из двух участков.

Напряжение при нулевом угле управления U_d0 равно:

для двухфазной схемы выпрямления (m = 2)

;

для трехфазной схемы выпрямления (m = 3)

;

для шестифазной схемы выпрямления (m = 6)

.

При угле управления больше и непрерывном токе нагрузки среднее выходное напряжение становиться отрицательным, то есть направление передачи энергии меняет знак. Этот режим работы выпрямителя называется инверторным, он возможен только при наличии на стороне постоянного тока источника энергии, а выпрямитель, работающий в таком режиме, называют автономным инвертором.

При активно-индуктивной нагрузке и прерывистом токе (см. рис.1.27, г) регулировочные характеристики выпрямителя располагаются между характеристикой для непрерывного тока и характеристикой при чисто активной нагрузке. Если источник энергии в цепи постоянного тока отсутствует, то вся регулировочная характеристика должна лежать в области положительных значений напряжения.


Рис. 1.28 относительные регулировочные характеристики управляемого выпрямителя:

1 - для выпрямителя любой фазности при непрерывном выходном токе,

2 - для двухфазной СВ при активной нагрузке,

3 – для трехфазной СВ при активной нагрузке,

4 – для шестифазной СВ при активной нагрузке

1.6.2 Высшие гармоники выпрямленного напряжения

В выходном напряжении любой схемы выпрямления кроме полезной постоянной составляющей присутствуют высшие гармоники. Наличие высших гармоник в выходном напряжении схем выпрямления является в большинстве случаев вредным явлением, с которым борются путем включения сглаживающих фильтров. Для правильного выбора параметров фильтра необходимо знать гармонический состав выходного напряжения схемы выпрямления.

Выходное напряжение выпрямителя u_dсостоит из m повторяющихся участков протяженностью , где m – фазность выпрямления. При нулевом угле управления участок повторения формируется из фазного напряжения питания для нулевых и линейного напряжения питания для мостовых схем в районе максимума этих напряжений. На рис.1.27 показаны выходные выпрямителя на интервале повторяемости.

В общем виде выпрямленное напряжение может быть представлено следующим разложением в ряд Фурье

, (1.12)

где U_d – среднее значение выпрямленного напряжения,

U_km – амплитуда напряжения k-той гармоники,

k=mn – номер высшей гармоники,

n – порядок гармоники,

- электрический угол питающего схему выпрямления напряжения,

- фазовый сдвиг k-той гармоники.

Амплитуда и фазовый сдвиг k-той гармоники определяются следующими выражениями:

; , (1.13)

где коэффициенты разложения a_k и b_k определяются интегралами:

; (1.14)

. (1.15)

Интегрирование достаточно выполнить на интервале повторяемости выходного напряжения, умножив результат на число таких интервалов. На рис.1.27,а и 1.27,б показаны интервалы повторяемости для двух углов управления, при условии, что напряжение питания, формирующее выходное напряжение u_d на данном участке описывается функцией

, (1.16)

где U_dm амплитуда соответствующего фазного (для нулевых СВ), или линейного (для мостовых СВ) напряжения питания.

Подставив в выражения (1.14) и (1.15) значение напряжения из уравнения (1.16) и произведя необходимые преобразования, получим:

; (1.17)
. (1.18)

Учтя, что среднее значение выходного напряжения выпрямителя при нулевом угле управления равно ,

из выражения (1.13), для амплитуды k-той гармоники окончательно получим

. (1.19)

На рис.1.29 приведены зависимости амплитуд различных гармоник в выходном напряжении выпрямителя от угла управления.


Рис.1.29 Зависимость амплитуд высших гармоник в выходном напряжении выпрямителя от угла управления
Интерес представляет знание относительных (отнесенных к среднему значению выпрямленного напряжения) значений амплитуд высших гармоник. Среднее выходное напряжение равно , относительные значения амплитуд высших гармоник соответственно равны

. (1.20)

Так как с ростом номера гармоники ее амплитуда уменьшается, а при наличии фильтра на выходе выпрямителя высшие гармоники ослабляются сильнее, то при расчете фильтров и учете высших гармоник в большинстве случаев можно ограничится учетом лишь одной высшей гармоники с наименьшим номером. Отношение гармоники с наименьшим номером (m-ной гармоники) к среднему выпрямленному напряжению называется коэффициентом пульсаций, который для управляемого выпрямителя определяется выражением

, (1.21)

для неуправляемой схемы выпрямления выражение (1.21) примет вид

. (1.22)

Согласно формуле (1.22) коэффициент пульсаций в процентах для неуправляемой двухфазной схемы выпрямления равен 66.7%, для трехфазной схемы выпрямления равен 25%, для шестифазной схемы выпрямления равен 5.7%.

1.6.3 Высшие гармоники входного тока выпрямителя

Входной ток выпрямителя содержит основную первую гармонику и высшие гармоники. Если входной ток симметричен, то есть не содержит постоянной составляющей, то в нем содержатся гармоники с номерами

, (1.23)

где m – фазность схемы выпрямления, n=0, 1, 2, 3 и т.п.

При абсолютно сглаженном токе в цепи постоянного тока переменный ток состоит из прямоугольных блоков. Определим первую гармонику для тока, приведенного на рис. 2.

Рис. 1.30 Условная форма входного тока выпрямителя
Для рис. 1.30 первая гармоника будет содержать только косинусоидальную составляющую, соответственно

. (1.24)

Для прямоугольной формы амплитуды высших гармоник обратно пропорциональны их номерам. Для гармоники с номером h амплитуда определяется универсальной формулой

. (1.25)

Для двухфазной схемы выпрямления , соответственно амплитуда первой гармоники равна

. (1.26)

Действующее значение первой гармоник

. (1.27)

Для трехфазного мостового выпрямителя (шестифазной схемы выпрямления) и амплитуда первой гармоники равна

. (1.28)

Действующее значение первой гармоник

. (1.29)
Вопросы для самоконтроля:

1. 
   Какой математический аппарат использовался для определения среднего значения выходного напряжения выпрямителя?
   
2. 
   Какая зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя?
   
3. 
   При каких углах управления и активной нагрузке выходной ток становится прерывистым в двухфазной, трехфазной и шестифазной схемах выпрямления?
   
4. 
   При каких углах управления и активной нагрузке выходное напряжение становится нулевым в двухфазной, трехфазной и шестифазной схемах выпрямления?
   
5. 
   Основная особенность и условия возникновения инверторного режима работы выпрямителя?
   
6. 
   Как влияет индуктивность нагрузки на постоянный ток?
   

1.6.4 Основные параметры неуправляемых схем выпрямления

(Верхние значения – абсолютно сглаженный ток; нижние значения – активная нагрузка)

Схема выпрямления	m		q
Двухфазная нулевая	2
Двухфазная мостовая	2			1
Трехфазная нулевая	3				Y/Y или 1.345			0.577
								0.587
Шестифазная мостовая	6

m – фазность схемы выпрямления; - среднее значение выпрямленного напряжения; - действующее значение фазного напряжения; - средняя выходная мощность выпрямителя; U_V.обр.m – амплитудное значение обратного напряжения вентиля; I_V.CP – среднее значение тока вентиля; I_V.ЭФ – действующее значение тока вентиля; S_ТР – мощность трансформатора.