Теоретические сведения о трехфазном мостовом управляемом выпрямителе

Цель работы

Углубить знания по физической сущности процессов преобразования переменного тока в постоянный, приобрести навыки экспериментального исследования устройств промышленной электроники с помощью осциллографа.

Теоретические сведения о трехфазном мостовом управляемом выпрямителе

Трехфазная мостовая схема получила преимущественное применение при построении управляемых выпрямителей трехфазного тока (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Основными характеристиками, определяющими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

– средние значения выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d ;

– коэффициент полезного действия η;

– коэффициент мощности χ;

– внешняя характеристика – зависимость среднего напряжения на выходе от среднего тока нагрузки: ;

– регулировочная характеристика – зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла управления ;

– коэффициент пульсаций – отношение амплитуды данной гармонической составляющей выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (тока): .

Рассмотрим свойства и принцип работы выпрямителей построенных по трехфазной мостовой схеме (схеме Ларионова).

Вентили на схеме выпрямителя (рисунок 1.1) разбиты на две группы: катодная группа, у которой соединены катоды(VS1, VS3, VS5);анодная группа, у которой соединены аноды (VS2, VS4, VS6). Общие точки вентилей двух групп соединены с источником питания (в данной схеме с вторичными обмотками трансформатора). Нумерация тиристоров выбрана для упрощения понимания принципов работы управляемого выпрямителя.

В неуправляемых выпрямителях или при нулевом угле управления α в управляемых выпрямителях в каждый момент времени ток будет проводить тот вентиль, потенциал анода которого будет максимальным (в катодной группе) или потенциал катода которого будет минимальным (в анодной группе). Поэтому мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя определяется значением линейного напряжения фаз, подключенных к нагрузке в данный момент времени через открытые вентили. На временной диаграмме рисунок 1.2а показана очередность проводящего состояния тиристоров.

В управляемых выпрямителях средние значения токов и напряжений зависят от угла управления α, отсчитываемого от точек естественной коммутации тиристоров θ₁, θ₂, θ₃ и т.д. до момента открытия тиристоров (рисунок 1.2а). Это обуславливается задержкой на угол управления моментов подачи отпирающих импульсов на тиристоры (рисунок 1.2б) системой управления выпрямителя.

При наличии достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки задержка вступления в работу очередных тиристоров создает задержку на такой же угол α моментов запирания проводящих тиристоров. При этом кривые потенциалов φ_d(+), φ_d(–) и напряжения u_d приобретают вид, показанный на рисунке 1.2а, в. В кривой выпрямленного напряжения создаются «вырезки»,

Рисунок 1.2 – Временные диаграммы работы трехфазного преобразователя

вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при изменении угла α осуществляется регулирование величины выпрямленного напряжения U_d. Влияние угла α на кривую u_d и среднее значение напряжения U_d показаны на рисунке 1.3а – г. Поскольку в трехфазной мостовой схеме выпрямлению подвергается линейное напряжение, кривая u_d на рисунке 1.3 а-г, как и на рисунке 1.2в, состоит из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_ab, u_ac, u_bc u_ba, u_ca, u_cb.

При изменении угла α в диапазоне от 0 до 60° переход напряжения u_d с одного линейного напряжения на другое осуществляется в пределах положительной полярности участков линейных напряжений (рисунок 1.3а, б). Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы, как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузках.

При α > 60° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рисунок 1.3в, г). В случае активно-индуктивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вторичные обмотки трансформатора после изменения полярности их линейного напряжения (рисунок 1.3в, г), в связи, с чем в кривой u_d появляются участки линейных напряжений отрицательной полярности. При эти участки продолжаются до моментов очередного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d = 0 соответствует угол α = 90° (рисунок 1.3г). Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой U_d при α > 60° появляются нулевые паузы. Напряжение U_d станет равным нулю при значении угла α = 120°.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления α (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале (рисунок 1.2в):

Рисунок 1.3 – Кривые выходного напряжения трехфазного мостового управляемого выпрямителя при и различных углах управления

, (1.1)

где U₂ – действующее значение фазного напряжения вторичных обмоток трансформатора;

– среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного выпрямителя при α = 0, т.е. значение выходного напряжения неуправляемого выпрямителя.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке на интервале 60° 120° находят из выражения

. (1.2)

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрямителя, построенные по выражениям (1.1), (1.2), приведены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Регулировочные характеристики трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Кривые анодных токов тиристоров и токов обмоток трансформатора при (см. рисунок 1.2 г, д) отличаются от кривых соответствующих токов при нулевом угле управления, наличием отстающего фазового сдвига относительно напряжений ( ).

Кривая напряжения на тиристоре приведена на рисунке 1.2е. Амплитуда обратного напряжения равна 1,045U_d0. Этой величиной определяется не только обратное напряжение, но и возможное значение амплитуды прямого напряжения на тиристоре при регулировании угла α.

На рисунке 1.5а-д приведены временные диаграммы напряжений и токов управляемого выпрямителя с учетом коммутационных процессов, вызываемых индуктивностями рассеивания обмоток трансформатора (на рисунке 1.1 не приведены). Коммутационные процессы обусловлены переходом тока с тиристора, заканчивающего работу, на тиристор, вступающий в работу (рисунок 1.5в) той же тиристорной группы (анодной или катодной). Каждый такой коммутационный процесс начинается в момент подачи отпирающего импульса на очередной в порядке вступления в работу тиристор (рисунок 1.5а). Коммутация токов продолжается в течение интервала γ и протекает так же, как и при нулевом угле управления (или в схеме неуправляемого мостового выпрямителя).

Потенциалы выводов нагрузки на этапах коммутации за счет падений напряжения на реактивных сопротивлениях уменьшаются. На интервале γ они определяются полусуммой напряжений двух фаз с коммутирующими вентилями. Коммутационные падения напряжения сказываются на форме кривой напряжения u_d и уменьшении его среднего значения U_d (рисунок 1.5б) на величину . В этом случае среднее значение напряжения .

Расчет среднего значения коммутационных падений напряжения производят с учетом, что напряжение (рисунок 1.5а) к моменту начала коммутаций имеет нулевую фазу:

Рисунок 1.5 – Временные диаграммы с учетом явления коммутации

(1.3)

Из анализа цепей можно получить соотношение для длительности коммутационного процесса g через параметры коммутационной цепи

(1.4)

где x_a – суммарное индуктивное сопротивление индуктивностей рассеивания трансформатора.

Подстановкой (1.4) в (1.3) находим и среднее значение напряжения на нагрузке с учетом явления коммутации:

(1.5)

Соотношение (1.5) является уравнением внешних характеристик трехфазного управляемого выпрямителя. Вид внешних характеристик соответствует рисунку 1.6.

Влияние коммутационных процессов на форму кривых первичного и вторичного токов трансформатора, а также на форму кривой напряжения на тиристоре показано на рисунке 1.5г, д. Первые гармоники токов приобретают результирующий фазовый сдвиг, равный . Процессы коммутации не сказываются на величинах максимально возможных прямого и обратного напряжений на тиристоре, которые остаются равными 1,045 .

Рисунок 1.6 – Внешние характеристики управляемого выпрямителя