 |
Анализ процессов в простой нулевой трехфазной m -пульсовой
|
|
|
|
схеме выпрямления
Рассмотрим m-пульсовую простую трехфазную схему выпрямления (на примере трехпульсовой схемы) при следующих допущениях: индуктивное сопротивление вентильной обмотки Xв = 0, а индуктивное сопротивление нагрузки Xd = ∞.
Принципиальная нулевая m-пульсовая простая трехфазная схема выпрямления приведена на рис. 6. В такой схеме вентильные обмотки трансформатора соединяются в «звезду» или «зигзаг» с доступной нулевой точкой О, образующей отрицательный полюс системы выпрямленного напряжения. Число обмоток может быть кратным числу фаз первичной обмотки. К каждому фазовому выводу вторичной обмотки подключен вентиль. Точка объединения катодов вентилей К образует положительный полюс системы выпрямленного напряжения.
Фазовые напряжения вторичной обмотки образуют симметричную систему векторов с углом между ними δ, равным 2π/m.
Определим порядок и продолжительность проводящего состояния вентилей λ. В качестве примера будем использовать простую трехфазную трехпульсовую схему выпрямления, приведенную на рис. 7, а. Временные диаграммы напряжений и токов на всех элементах рассматриваемой схемы приведены на рис. 7, б-и.
Рис. 6. Принципиальная m-пульсовая нулевая схема выпрямления
Рассмотрим произвольно взятый момент времени ωt1 (рис. 7, б) на интервале между точками 1 и 2.
Если вентиль VD1, подключенный к фазе «а», открыт, то потенциал на его катоде:
. (5)
Условием открытия вентиля VD2, подключенного к фазе «b», является положительный относительно катода потенциал на аноде, то есть необходимо, чтобы:
. (6)
Учитывая, что катоды вентилей однопотенциальны (
), условием открытия вентиля VD2 будет следующее:
|
|
|
, (7)
(8)
То есть, вентиль VD 2 откроется лишь тогда, когда потенциал его анода станет выше, чем у других вентилей.
Рис. 7. Трехпульсовая нулевая схема выпрямления и временные
диаграммы электромагнитных процессов в ней
Таким образом, в простой нулевой схеме в каждый момент времени открыт только один вентиль с максимальным потенциалом на аноде.
Выпрямленное напряжение ud всегда равно фазовому – максимальному в данный момент времени – напряжению. Кривая ud огибает вторичные фазные напряжения, число пульсаций ее равно числу фаз вторичной обмотки (m = m2). Продолжительность пульсации составляет 2π/m.
Определим среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя при продолжительности пульсации 2π/m.
Рассмотрим одну пульсацию выпрямленного напряжения для рассматриваемой схемы выпрямления (рис. 8).
Рис. 8. Одна пульсация кривой выпрямленного напряжения рассматриваемой схемы выпрямителя
Выбрав за точку отсчета ось y, имеем
. (9)
Обобщенное выражение для определения среднего значения выпрямленного напряжения для любой схемы выпрямления имеет вид:
. (10)
Среднее значение выпрямленного напряжения для простой трехпульсовой нулевой схемы выпрямления для режима холостого хода определится следующим образом:
. (11)
Выражение (11) справедливо для всех простых нулевых схем выпрямления. Значение Ud0 для этих схем равно
m2 = m = 1 Ud0 = 0,45 U2;
m2 = m = 2 Ud0 = 0,9 U2 ;
m2 = m = 3 Ud0 = 1,17 U2 ;
m2 = m = 6 Ud0 = 1,35 U2 .
Рассмотрим условия работы вентилей в этой схеме. При Xd = ∞ кривые токов вентилей абсолютно сглажены (рис. 7, в), поэтому условия работы вентилей будут следующими:
|
|
|
; (12)
(13)
Этот ток определяет тип и число параллельно соединенных в плече вентилей.
Определим напряжение на вентиле. Напряжение на вентиле равно разности потенциалов между его анодом и катодом:
. (14)
Кривая обратного напряжения на вентиле приведена на рис. 7, ж. На интервале ωt2 ≤ ωt ≤ ωt3 (рис. 7, ж) обратное напряжение на вентиле равно
, (15)
а на интервале ωt3 ≤ ωt ≤ ωt4
. (16)
Таким образом, обратное напряжение на вентиле, равное разности потенциалов между его анодом и катодом, всегда будет междуфазным (линейным) напряжением, то есть 
, а его максимум, определяющий класс и число вентилей, соединенных в плече последовательно, будет равен
. (17)
Шестипульсовая простая нулевая схема выпрямления и временные диаграммы электромагнитных процессов в ней приведены на рис. 9.
Рис. 9. Шестипульсовая простая нулевая схема выпрямления и временные
диаграммы электромагнитных процессов в ней
Для этой схемы, также как и для простой нулевой двухполупериодной схемы выпрямления
. (18)
Это наглядно видно на рис. 9, ж.
Условия работы трансформатора определятся напряжениями и токами обмоток. Ток сетевой обмотки для схемы в общем виде записать сложно, поэтому примем
, (19)
где 
– коэффициент трансформации трансформатора, определяемый из выражения (4);
b – коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы.
Из принципа работы схемы ясно, что ток фазы вентильной обмотки равен мо величине и продолжительности току подключенного к этой фазе вентиля (рис. 7, в):
.
Определим действующее значение тока вентильной обмотки. Действующее значение – средняя квадратичная величина всех мгновенных значений за период:
(20)
и оно определит сечение обмотки.
Ток через вентильную обмотку протекает только в одном направлении, а продолжительность работы обмотки определяется числом фаз.
|
|
|
Так как теперь мы определились с продолжительностью работы вентилей преобразователя, то следует остановиться на методике определения тока первичной (сетевой) обмотки трансформатора, так как в общем виде она не раскрыта.
Для трехфазной трехпульсовой схемы (рис. 7, а) по замкнутым магнитным контурам сумма ампер-витков равна нулю, тогда:
(21)
Приняв трансформатор приведенным, то есть w1 = w2 (кт = 1), получим
(22)
Кривая сетевого тока i’А, построенная по выражению (22), приведена на рис. 7, и.
Действующее значение сетевого тока
(23)
(24)
Трансформатор в этой схеме имеет неуравновешенную магнитную систему: сумма мгновенных значений приведенных токов по стержню магнитопровода не равна нулю и по магнитопроводу замыкается. Постоянная составляющая магнитного потока, пропорциональная Id / 3. Это приводит к нагреву сердечника, сечение которого необходимо увеличивать. Кроме того, трансформатор в этой схеме имеет большие потери и круто падающую внешнюю характеристику (А = 0,87).
Для борьбы с магнитным неравновесием вентильные обмотки соединяют по схеме равностороннего встречного зигзага. Иногда сетевую обмотку для исключения этого явления соединяют по схеме треугольника.
Мощность, отдаваемая фазой вторичной обмотки трансформатора в режиме выпрямления с учетом (10):
, (25)
а в режиме синусоидальной нагрузки от этой фазы можно отобрать
. (26)
Коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора зависит от числа фаз и определяется следующим образом:
. (27)
Для улучшения качества выпрямленного напряжения следует увеличивать число его пульсаций m за период питающего напряжения. В рассматриваемых нулевых схемах этого можно достичь только увеличением числа фаз вторичной обмотки m2, однако при этом снижается значение коэффициента С2:
|
|
|
m2 = m = 2 С2 = 0,63;
m2 = m = 3 С2 = 0,67;
m2 = m = 6 С2 = 0,55;
m2 = m = 12 С2 = 0,38;
m2 = m = 24 С2 = 0,24.
Именно это обстоятельство (плохое использование обмоток трансформатора) исключает применение простых нулевых схем в мощных преобразователях и заставляет переходить к сложным схемам.
|
|
|
