ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО

 

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

По числу фаз питающей сети переменного тока выпрямители бывают однофазные и трехфазные.

Для согласования трехфазного выпрямителя с сетью обычно применяют силовые трансформаторы.

Существует большое число различных схем трехфазных управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Процесс выпрямления осуществляется непосредственно полупроводниковыми элементами (тиристорами) схемы выпрямления. Рассмотрим сущность процесса выпрямления в трехфазной двухполупериодной схеме именуемой мостовой двухтактной (рисунок 9).

 

 

Рисунок 9 – Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя

 

Подключение тиристоров (1 – 6), собранных в мостовую схему, к трехфазной питающей сети переменного тока осуществляется через силовой согласующий трансформатор Т. Тиристоры 1,3,5 образуют катодную, а тиристоры 2,4,6 – анодную группы (см. рисунок 9). Из катодной группы ток пропускает тот тиристор, к аноду которого подводится большее положительное напряжение. На выход выпрямителя включена активно-индуктивная нагрузка (сопротивление R_d и индуктивность X_d).

Замечание. Следует отметить, что нумерация тиристоров в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку их вступления в работу при условии соблюдения фазировки трансформатора.

На рисунке 10 приведены диаграммы напряжений и токов, поясняющие сущность процесса выпрямления в трехфазном управляемом выпрямителе, собранном по мостовой схеме (см. рисунок 9).

В любом промежутке времени должны быть включены два тиристора – один из катодной, а другой из анодной группы. Поочередная работа различных пар тиристоров в схеме приводит к появлению на сопротивлении R_d выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора (ось 2 на рисунке 10).

Из рисунка 10 (оси 1 и 2) видно, что моменты коммутации совпадают с моментами прохождения через нуль линейных напряжений (когда равны два фазных напряжения).

В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение имеет напряжение u_A, подаваемое к аноду тиристора 1, а наибольшее отрицательное значение – напряжение u_B, подводимое к катоду тиристора 6. Следовательно, в этом промежутке одновременно включены вентили 1 и 6. Через тиристор 1 положительное напряжение u_A подводится к нижнему зажиму, а через тиристор 6 отрицательное напряжение u_B подводится к верхнему зажиму сопротивления R_d. Поэтому выпрямленное напряжение

 

.

 

В точке 01 напряжение u_B = u_C, поэтому из анодной группы включается тиристор 2. Так как правее точки 01 напряжение u_C имеет наибольшее отрицательное значение, тиристор 6 выключается. В промежутке (01-02) одновременно включены тиристоры 1 и 2 и выпрямленное напряжение

 

.

 

Очевидно, что амплитуда выпрямленного напряжения

 

.

 

К каждому закрытому тиристору приложено линейное напряжение, поэтому амплитуда обратного напряжения

 

.

 

Число пульсаций выпрямленного напряжения m = 6.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения (среднее значение) вычисляется для интервала повторяемости выпрямленного напряжения, равного p/3:

 

, (1)

где E₂– действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора.

 

 

Рисунок 10 – Диаграммы напряжений и токов в трехфазном

управляемом выпрямителе при (a = 0)

 

Действующее значение тока вторичной обмотки (ось 6)

 

, (2)

 

Пусть угол управления a > 0. В трехфазной мостовой схеме на управляемых тиристорах отпирающие импульсы поступают с задержкой на угол a относительно нулей линейных напряжений или моментов пересечения синусоид фазных напряжений (см. рисунок 11).

 

 

Рисунок 11 – Диаграммы напряжений и токов в трехфазном

управляемом выпрямителе при углах (0 < a < p/3)

 

В результате задержки моментов коммутации тиристоров на угол a среднее значение выпрямленного напряжения, образованного из соответствующих частей линейных напряжений, снижается.

До тех пор, пока кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения u_d остается выше нуля, что соответствует диапазону изменения угла управления (0 < a < p/3), выпрямленный ток i_d будет непрерывным вне зависимости от характера нагрузки. Поэтому при углах (0 < a < p/3) среднее значение выпрямленного напряжения для активной и активно-индуктивной нагрузки будет равно

 

(3)

 

При углах (a > p/3) и активной нагрузке в напряжении u_d и токе i_d появляются интервалы с нулевым значением (см. рисунок 12), т.е. наступает режим работы с прерывистым выпрямленным током.

 

 

Рисунок 12 – Диаграммы напряжений и токов в трехфазном

управляемом выпрямителе при углах (a = p/3) и (a > p/3)

 

Среднее значение выпрямленного напряжения для этого случая может быть выражено следующим образом:

, (4)

где

.

 

Замечание. В режиме с прерывистым током i_d для обеспечения работы данной схемы, а также для ее первоначального запуска на вентили схемы следует подавать сдвоенные отпирающие импульсы с интервалом p/3или одиночные, но с длительностью, большей, чем p/3. Это объясняется тем, что для образования замкнутой цепи протекания тока i_d необходимо обеспечить одновременное включение вентиля анодной группы и вентиля катодной группы.

 

При изменении угла a от 0 до p/3 регулировочная характеристика для активной и активно-индуктивной нагрузки описывается формулой

 

. (5)

При активно-индуктивной нагрузкке и углах (a > p/3), если (wL_d ® ¥) или отношение (wL_d/R_d) таково, что обеспечивается режим непрерывного тока i_d, среднее значение выпрямленного напряжения также определяется по формуле

. (6)

 

На рисунке 13 приведены регулировочные характеристики трехфазного управляемого выпрямителя, собранного по мостовой схеме включения тиристоров, для случая активной и случая активно-индуктивной нагрузки.

При угле управления тиристорами (a = p/2) среднее значение U_d становится равным нулю, значит, это соответствует равенству площадей положительного и отрицательного участков кривой выпрямленного напряжения, что свидетельствует об отсутствии в нем постоянной составляющей (кривая 2 на рисунке 13).

Начиная с угла (a = p/3) при активной нагрузке регулировочная характеристика (кривая 1 на рисунке 13) описывается формулой

 

. (7)

 

Заштрихованная область на рисунке 13 соответствует семейству регулировочных характеристик в режиме с прерывистым током i_d при различных значениях (wL_d/R_d).

Примем индуктивность L_d настолько большой, что ток нагрузки i_d до момента отпирания следующего тиристора не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов (обычно трех, четырех).

В трехфазной мостовой схеме к нагрузке R-L подключено напряжение

 

, (8)

где

 

Угол естественного включения вентилей при a = 0 составляет p/3 = 60 эл.град.

 

1 – регулировочная характеристика при активной нагрузке

2 – регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке

 

Рисунок 13 – Регулировочные характеристика трехфазного

мостового управляемого выпрямителя

 

Ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением

 

(9)

 

Общий интеграл решения уравнения (9)

 

, (10)

 

где

, , ,

j - угол нагрузки;

t - постоянная времени цепи нагрузки;

A_n – 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 R-L может быть подключено напряжение с противо ЭДС

 

,

 

где E₀ – 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.

Режим работы трехфазного управляемого мостового выпрямителя, когда ток нагрузки спадает до нуля точно в момент включения очередных тиристоров, называется граничным, а ток нагрузки в этом случае называется гранично-непрерывным.

Контрольные вопросы

 

1. Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?

2. От какой точки напряжений отсчитывается угол открытия вентилей a в трехфазной нулевой схеме выпрямителя, и какова его максимальная величина?

3. Начертить регулировочную характеристику трехфазного управляемого мостового выпрямителя при активной нагрузке.

4. Почему для запуска мостовой схемы выпрямления следует подавать сдвоенные отпирающие импульсы с интервалом p/3?

5. При каких углах a выпрямленный ток будет непрерывен вне зависимости от характера нагрузки?

6. Какое из напряжений – фазное или линейное влияет на выпрямленную форму напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе?

7. Что такое режим прерывистого тока нагрузки?

8. Найти максимальный угол управления для мостовой трехфазной схемы с нагрузкой j_НАГР = 60 эл.град.

9. Найти среднее значение выпрямленного напряжения для трехфазной мостовой схемы выпрямления, если известно, что Е₂ = 125 В, a = 60 эл.град.

10. Начертить регулировочную характеристику трехфазного управляемого мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (L = ¥).

11. Начертить регулировочную характеристику трехфазного управляемого мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (j_НАГР = 60 эл.град.).

12. Что такое режим непрерывного тока нагрузки?

13. Как влияет на работу управляемого выпрямителя наличие в нагрузке источника ЭДС?

 

Рекомендуемая литература

1. Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 136 с.: ил.

 

2. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296с.: ил.

 

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

 

4. Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 416 с.: ил.

 

5. Основы автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов/ М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. – 568с.: ил.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО