Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором

Силовая схема этого выпрямления приведена на рисунке 14. В этой схеме две нулевые трехфазные схемы выпрямления с взаимно противоположными фазами работают параллельно. Для обеспечения раздельной работы этих двух схем применяют уравнительный реактор, L _у, выполненный в виде автотрансформатора.

Нормальная работа схемы наступает при вполне определённом токе нагрузки, называемом критическим, I_{d кр.} [3]. При малых токах (I_d<I_{d кр.}) наличие реактора L _у не отражается на работе схемы - она работает как шестифазная однотактная.

 

 

Рисунок 14. Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором

 

На рисунке 15 приведены временные диаграммы напряжений и токов двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором, необходимые для пояснения принципа работы схемы без учета коммутационных процессов, т.е. γ=0:

 

-кривые фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора T.

U _a1, U _б1, U _c1, U _a2, U _б2, U _c2 и кривая выпрямленного напряжения U_d, при α=30°;

- u _к - кривая напряжения на уравнительном реакторе;

- i _V1- кривая тока вентиля VS 1 и фазы a ₁ вторичной обмотки трансформатора при допущении, что индуктивность, включенная в цепь нагрузки (L_d) достаточно велика и ток i_d идеально сглажен;

i _A- кривая тока фазы А первичной обмотки трансформатора.

 

В нормальном режиме работы схемы (I_d>I_{d кр.}) в каждый момент времени ток нагрузки разветвляется между двумя параллельно работающими вентилями двух трехфазных групп (например, между вентилями VS 1 и VS 2, соединенными с фазами a ₁ и c ₂, соответственно, смотри рисунок 14).

Параллельная работа этих вентилей становится возможной благодаря уравниванию напряжений фаз a ₁ и c ₂ с помощью уравнительного реактора.

 

 

 

 

Рисунок 15. Временные диаграммы, поясняющие работу двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором

 

Форма напряжения на уравнительном реакторе, U _к, приведена на рисунке 15. Суть работы уравнительного ректора заключается в выравнивании мгновенных значений напряжений двух фаз, например a ₁ и c ₂, на временном интервале работы вентилей VS 1 и VS 2. Увеличение тока нагрузки через вентиль VS 1 приводит к индуктированию в полуобмотках реактора L _у Э.Д.С, направленных таким образом, что напряжение фазы c ₂ повышается до такого значения, при котором вентиль VS 2 способен открыться при подаче на него импульса управления.

В результате работают одновременно вентили VS 1 и VS 2. Разделение тока между ними будет равным. Всякое нарушение равенства этих токов будет приводить к появлению Э.Д.С на полуобмотках уравнительного реактора, которая будет стремиться выровнять эти токи.

Напряжение на уравнительном реакторе меняет знак 6 раз за период частоты сети, т.е. оно имеет трехкратную частоту по отношению к частоте сети (смотри рисунок 15,б).

Таким образом, в результате работы уравнительного реактора две трехфазные однотактные схемы оказываются включенными относительно нагрузки параллельно.

Каждый из шести вентилей схемы проводит ток течении 120°, а амплитуда тока вентиля составляет 0,5 I_d т.е. равна половине амплитуды тока нагрузки.

Точки пересечения положительных полуволн фазных напряжений соответствующих групп являются точками естественного зажигания (точки k, m, p, для фаз a₁, b₁, c₁ и точки l, n, r для фаз a₂, b₂, c₂, смотри рисунок 15,а)

Напряжение на нагрузке u_d равно полусумме напряжений каждой из двух вентильных групп u_{d 1} и u_{d 2}

Среднее значение выпрямленного напряжения

где

Следовательно,

(60)

При токе нагрузки I_d < I_{d кр} схема работает как шестифазная однотактная (k _сх=1,35):

Таким образом, при работе схемы с токами I_d < I_{d кр} происходит увеличение выпрямленного напряжения на величину

Это является недостатком схемы.

Основные расчетные соотношения.

Среднее значение тока вентиля

(61)

Амплитудное значение тока вентиля

(62)

Действующее значение тока фазы вторичной обмотки и вентиля

. (63)

В первичных обмотках, каждая из которых расположена на одном сердечнике с двумя вторичными обмотками (одной четной и одной нечетной), ток проходит в оба полупериода, поэтому

(64)

где k _тр.= U ₁/ U ₂= W₁/W₂ - коэффициент трансформации трансформатора.

 

В трансформаторе поток вынужденного намагничивания отсутствует, т.к. на интервалах обоих полупериодов питающего напряжения соблюдается баланс намагничивающих сил первичной и вторичной обмоток.

Поток в сердечнике, вызванный током, расположенной на нем вторичной обмотки, всегда замыкается через другой сердечник, у которого расположенная на нем вторичная обмотка обтекается в это время током противоположного направления, так как в этой схеме выпрямления всегда параллельно работают попарно два вентиля, питающихся от четной и нечетной обмоток.

Расчетная мощность трансформатора

(65)

 

Рассчитаем мощность уравнительного реактора, S _УР, представляющего собой по существу автотрансформатор. Ток как автотрансформатор содержит только одну обмотку, то его типовая мощность для сравнения с типовой мощностью обычного трансформатора должна быть уменьшена вдвое:

(66)

где U_k ^′ и I _k -расчетные значения напряжения и тока реактора.

Расчетные значения для тока, протекающего по обмотке дросселя

(67)

Расчетное значение напряжения U _k^′, отнесенное к частоте 50 Гц, должно быть принято отличным от фактического напряжения U _k, приложенного к реактору, действующее значение которого равно 0,5 U ₂ (при α=0° и без учёта явления коммутации) [1].

В качестве расчетного напряжения U _k^′ принимается такое напряжение частоты 50 Гц, при котором в магнитопроводе возникают такие же потери, как в реальных условиях - при частоте 150 Гц.

Одновременно при частоте 150 Гц индукция может быть принята в 150/50=3 раза меньше

(68)

Потери в магнитопроводе пропорциональны частоте (f) и индукции (В) в степени 1,6. Потери при f =150Гц равны:

(69)

Потери при частоте f =50Гц равны:

(70)

Величина расчетного напряжения U _k^′ должна учитываться как уменьшение индукции по формуле (68), так и изменение потерь при этом.

При расчетном эквивалентном напряжении U _k^′, соответствующем частоте 50Гц, потери должны быть как в реальных условиях (при f _с=50Гц)

Откуда при f =150Гц индукция должна быть равна:

(71)

С учетом выше изложенного расчетное напряжение U _k^′ равно:

(72)

 

Таким образом, расчетная мощность уравнительного реактора

(73)

Общая расчетная мощность трансформатора и реактора при α=0°:

 

(74)

При регулировании угла α и учете коммутации расчетная мощность реактора возрастает, так как при этом возрастает напряжение (смотри рисунки 16,б, в, г, д, е). При увеличении угла регулирования α уравнительному реактору приходится уравнивать напряжения, разница между которыми возрастает с увеличением угла α. В связи с этим возрастает расчетное напряжение U _k^′, и расчетная мощность реактора. При увеличении угла α до 90° расчетная мощность реактора S _ур, предназначенного для длительной работы при этом угле, возрастает почти в 4 раза и составляет около 30% мощности нагрузки [8].

 

Располагая этой зависимостью среднего напряжения на реакторе от угла регулирования, можно определить зависимость величины его расчетной мощности от максимального угла регулирования, при котором будет работать выпрямитель.

 

На рисунке 17 приведена зависимость относительная величины среднего значения напряжения на реакторе U *_kср. от угла регулирования α. Кривая построена в относительных единицах, где за базисную величину принята величина U _kср.₀ - напряжение на реакторе при α=0°, т.е.

U *_kср. = U _k^′/ U _kср.₀.

 

Таким образом, график, приведенный на рисунке 17, представляет также в относительных единицах зависимость расчетной мощности уравнительного реактора от максимального угла регулирования α.

В качестве базисной величины при этом следует принять величину S _ур при α=0°. т.е. S _ур.баз.=0,071 P _d.

 

 

Достоинства и недостатки дважды трехфазной схемы выпрямления

Достоинства:

1. Хорошее использование вентилей по току:

-среднее значение тока равно 0,167 I _d.

-действующее значение равно 0,408 I _d.

-амплитудное значение равно 0,5 I _d, что способствует снижению потерь мощности в вентильном блоке.

2. Благоприятный характер внешней характеристики.

3. Шестикратная пульсации выпрямленного напряжения.

Недостатки:

1. Использование трансформатора хуже, чем в мостовой схеме (S _T=1,26 P_dN).

2.Необходим уравнительный реактор, установленная мощность которого увеличивается с увеличением угла регулирования α и при α=60° установленная мощность реактора S _ур=0,223 P_dN, а при α=90° установленная мощность реактора S _ур=0,2556 P_dN.

3.При малых токах нагрузки I_d < I_{d КР} имеет место скачок выпрямленного напряжения в 1,35/1,17=1,154 раза.

 

 

 

Рисунок 16. Напряжения на уравнительном реакторе при различных углах регулирования: б- при α=0°, в- при α=15°, г- при α=30°, д- при α=60°, е- при α=90°.

 

 

Рисунок 17. Зависимость среднего значения напряжения на обмотке уравнительного реактора от угла регулирования

 

 

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы двойной трехфазной схемы выпрямления с уравнительным реактором.

2 Какие условия необходимо выполнить для обеспечения нормальной работы этой схемы?

3 Чему равен интервал проводимости тока каждого вентиля этой схемы?

4 Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле больше среднего значения напряжения нагрузки?

5 Укажите значение установленной мощности уравнительного реактора

(в масштабе мощности нагрузи) при α=0⁰.

6 Чему равна частота пульсации напряжения нагрузки?

7 Чему равно среднее значение тока каждого вентиля в масштабе тока нагрузки?