Лекция No 6

Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема)

Схема (рис.1) состоит из трансформатора, трех вентилей и приемника энергии . Для уменьшения высших гармоник выпрямленного тока последовательно с сопротивлением R_d включен реактор с индуктивным сопротивлением () [1,2].

Обычно первичную обмотку трансформатора соединяют треугольником, а вторичную – звездой или первичную – звездой, а вторичную – зигзагом ().

Пусть трансформатор соединен по схеме .

Рис. 1. Трехфазная однотактная вентильная схема

В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение, как это показано на рис. 2, имеет напряжение первой фазы , поэтому ток протекает только через вентиль 1 (), а остальные вентили заперты. Начиная с момента 01 и правее , анод вентиля 2 оказывается под положительным напряжением относительно катода. Если в момент 01 на вентиль 2 поступает отпирающий импульс, он включается, а анодное напряжение вентиля 1 (), и этот вентиль выключается (рис.2).

Замечание. Если по какой-нибудь причине вентиль 2 не включится, то вентиль 1 выключится не в точке 01, а позже. Следовательно, причиной выключения вентиля 1 в точке 01 является включение очередного вентиля 2.

В промежутке (01-02) ток пропускает вентиль 2. В точке 02 включается вентиль 3 и выключается вентиль 2 и т.д. Каждый вентиль пропускает ток в течение периода, равного 120⁰(), поэтому число пульсаций выпрямленного напряжения равно трем.

Рис. 2. Кривые токов и напряжений при ()

Когда выключен вентиль 1, к нему на интервале проводимости вентиля 2 приложено линейное напряжение , а на интервале проводимости вентиля 3 – напряжение .

Среднее значение выпрямленного напряжения найдем путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

где – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Зная напряжение первичной сети , находим коэффициент трансформации:

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока одного вентиля

.

Амплитуда анодного тока вентиля

Когда вентиль заперт, на его зажимах действует линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, поэтому амплитуда обратного напряжения

.

При выпрямленный ток идеально сглажен и кривые фазных токов имеют прямоугольную форму (рис.3). В этом случае кривые выпрямленного напряжения U_d и обратные напряжения на вентилях остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку, а значения токов становятся равными (действующее значение тока вторичной обмотки):

Рис.3. Кривые токов при

По кривой первичного фазного тока (ось 4) определяем его среднее значение

По кривой первичного линейного тока (рис.3, ось 6) находим его действующее значение

Полученные выражения справедливы для любого способа соединения первичной обмотки трансформатора (звездой или треугольником).

На рис.4 приведена трехфазная однотактная вентильная схема, в которой вторичная обмотка трансформатора соединена зигзагом. На каждом стержне магнитной системы, кроме первичной обмотки, расположены две секции вторичной обмотки, в которых протекают токи противоположного направления. Поэтому взаимно компенсируются магнитные силы, соответствующие постоянным составляющим этих токов, а также гармоникам с порядковыми номерами, кратными трем, и схема магнитно уравновешена.

Рис.4. Трехфазная вентильная схема «звезда – зигзаг»

Пусть угол управления . Отпирающие импульсы приходят на вентили поочередно с задержкой на угол управления относительно моментов прохождения через ноль синусоид линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора. При угле в зависимости от характера нагрузки и значения угла в данной схеме могут иметь место различные режимы работы (рис.5).

Если угол изменяется в диапазоне от 0 до , то как при активно-индуктивной, так и при чисто активной нагрузке выпрямленный ток является непрерывным. Среднее значение выпрямленного напряжения в этой области углов при различном характере нагрузки описывается одним аналитическим выражением:

Рис.5. Диаграммы токов и напряжений при

При угле кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения вентилей до нуля. Такой режим работы называется гранично-непрерывным.

Дальнейшее увеличение угла при активной нагрузке приводит к прерыванию выпрямленного тока i_d и появлению в выпрямленном напряжении u_d участков с нулевым значением (рис.6,б). Интервал проводимости тока вентиля становится меньше .

Среднее значение напряжения в этом случае выражается следующим образом (кривая 1 на рис.7):

Рис.6. Диаграммы токов и напряжений при углах и

При активно-индуктивной нагрузке за счет энергии, запасаемой в индуктивности , выпрямленный ток продолжает протекать в нагрузке и при переходе выпрямленного напряжения в зону отрицательных значений. Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет наблюдаться режим работы с непрерывным током .

При режим непрерывного тока будет иметь место при любых углах в диапазоне от 0 до . В этом случае среднее значение выходного напряжения можно определить по формуле

Когда угол становится равным , площади положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения становятся равными, что свидетельствует об отсутствии постоянной составляющей в выпрямленном напряжении, или, иначе говоря, среднее значение E_d становится равным нулю (кривая 2 на рис.7).

Рис.7. Регулировочные характеристики трехфазного нулевого выпрямителя:.1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область соответствует семейству регулировочных характеристик в режимах прерывистого тока i_d при различных значениях отношения L_d/R_d.

Примем индуктивность L_d настолько большой, ток нагрузки i до момента отпирания следующего вентиля не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов.

В трехфазной нулевой (однотактной, ) схеме к нагрузке подключено напряжение

,

где , а угол естественного включения вентилей при составляет .

Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением

Общий интеграл решения уравнения (9)

где ; - угол нагрузки; – постоянная интегрирования, определяемая в каждом конкретном случае из начальных условий.

Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями.

В общем случае к нагрузке может быть подключено напряжение с противо-ЭДС:

,

где – противо-ЭДС, например, аккумуляторная батарея или якорь двигателя постоянного тока.

При воздействии противо-ЭДС можно получить режим прерывистых токов, где уравнения (9) и (10) недействительны, т.к. .

При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и , и ничем не отличается от случая активной нагрузки при . При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без большой погрешности ток нагрузки можно считать идеально сглаженным. Поскольку в простейшей схеме токи вторичных обмоток имеют пульсирующий характер и содержат постоянные составляющие, то в магнитной системе трансформатора возникает ток вынужденного подмагничивания, который может вызвать насыщение трансформатора. Это обстоятельство вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.

2. 2. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.

Контрольные вопросы

1. Как влияет ток вынужденного подмагничивания на согласующий трансформатор?

2. Какие преимущества дает схема соединений вентильных обмоток трансформатора «звезда – зигзаг»?

3. В каких пределах угла регулирования выпрямленный ток непрерывен от нагрузки?

4. Как влияет характер нагрузки на регулировочные характеристики?

5. В нулевом трехфазном выпрямителе задано , . Определить действующее значение напряжения на вентильной обмотке трансформатора (), средний ток , среднее и амплитудное значения тока через тиристор.

Ответ:

, , , .

6. В нулевом трехфазном выпрямителе задано , , . Найти коэффициент трансформации , среднее и действующее значения тока первичной обмотки трансформатора.

Ответ:

, , .

7. Построить регулировочную характеристику выпрямителя, если известно, что угол нагрузки и при заданной нагрузке определить максимальный угол управления.

Ответ:

.

8. Найти средний выпрямленный ток нагрузки , если известно, что , , при нагрузке: а) ; б)

Ответ:

а) ; б) .