 |
Трехфазная двадцатичетырехпульсовая мостовая схема выпрямления
|
|
|
|
Трехфазная мостовая схема выпрямления, обеспечивающая двадцать четыре пульсации в кривой выпрямленного напряжения (m = 24) за период питающего напряжения, может быть реализована следующим образом.
Для этой цели одну из вентильных обмоток соединяют по схеме звезды, вторую – по схеме треугольника, а две остальные – в неравносторонние прямой и обратный зигзаги (скользящие треугольники или замкнутые прямой и обратный зигзаги) так, чтобы сдвиг векторов линейных напряжений вторичных обмоток смежных фаз трех вентильных обмоток был равен 15о (π/12) (рис. 30).
Пиктограммы схем соединения вентильных обмоток могут быть представлены следующим образом:
Наиболее экономичная схема из рассмотренных вариантов – схема с использованием скользящих треугольников (вариант 2).
Мосты в рассмотренной схеме могут быть соединены:
– последовательно;
– последовательно-параллельно, с помощью уравнительного реактора;
– параллельно, с помощью трех уравнительных реакторов.
Рис. 30. Двадцатичетырехпульсовый мостовой выпрямитель
Рис. 31. Векторные диаграммы напряжений вентильных обмоток (а-г)
и линейных напряжений, образующих двадцатичетырехлучевую звезду (д)
7. Регулирование выпрямленного напряжения.
Управляемые выпрямители
На практике часто встречаются случаи, когда на шинах потребителей электроэнергии постоянного тока требуется изменение величины напряжения, то есть регулирование его.
С точки зрения регулирования напряжения выпрямители подразделяются на неуправляемые (нерегулируемые) и управляемые (регулируемые).
В неуправляемых выпрямителях регулирование напряжения достигается изменением напряжения вентильной обмотки, то есть изменением kт. Для этой цели тяговые трансформаторы имеют анцапфы (устройства переключения без возбуждения – ПБВ). Регулирование напряжения в этом случае осуществляется в пределах ± 5 %. У понизительных трансформаторов возможно регулирование напряжения с помощью устройства РПН (регулирование под напряжением).
|
|
|
Среднее значение выпрямленного напряжения зависит от напряжения вентильной обмотки (в режиме холостого хода – U20) и определяется по выражению
(125)
где а – коэффициент схемы, определяемы отношением амплитуды выпрямленного напряжения к амплитуде фазного:
(126)
Dm – коэффициент выпрямления:
(127)
Численное значение коэффициента а определяется схемой выпрямителя. Так, например, для трехпульсовой нулевой схемы выпрямления а = 1, для шестипульсовой мостовой схемы выпрямления а = 
, для шестипульсовой сложной нулевой схемы выпрямления параллельного типа а = cos 30º = 
= 0,866.
В управляемых выпрямителях регулирование напряжения достигается изменением во времени моментов вступления в работу вентилей. В настоящее время в мощных статических преобразователях широко используются управляемые вентили (в основном тиристоры), включение которых происходит при наличии положительного напряжения на их анодах и положительного импульса (сигнала) на их управляющих электродах.
Напомним, что действие управляющего электрода сводится к управлению только моментом включения незапираемого тиристора (большинство преобразователей построены именно на таких вентилях). После включения тиристора форма и длительность управляющего сигнала (в определенных пределах) не оказывают решающего значения, поскольку ток тиристора в открытом состоянии определяется параметрами внешней силовой цепи. Выключение тиристора осуществляется тогда, когда анодный ток его становится близким к нулю (точнее, меньше тока удержания).
|
|
|
Эти свойства управляемых вентилей используют в импульсно-фазовом способе управления преобразователем.
Рассмотрим принцип работы m-пульсового нулевого трехфазного выпрямителя, схема и электромагнитные процессы для которого приведены на рис. 32 в предположении, что коммутация происходит мгновенно (γ = 0).
Моментом вступления вентилей в работу можно управлять, то есть задерживать время открытия очередного вентиля относительно момента естественного открытия (точки 1, 2, 3, 4 … на рис. 32, б). Тем самым можно задержать начало коммутации на некоторое время, измеряемое углом фазового регулирования α (углом регулирования или управления). Такой угол на временных диаграммах откладывается вправо от момента естественного открытия вентиля. На рис. 32, б значение 
– граничное значение угла управления. В зависимости от характера нагрузки при работе преобразователя при значениях угла 
необходимо рассматривать работу преобразователя в двух режимах работы:
1) режим прерывистых токов – при работе выпрямителя на чисто активную нагрузку;
2) режим непрерывных токов – при работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.
Временные диаграммы выпрямленного напряжения и тока трехфазного трехпульсового управляемого выпрямителя, работающего на активную нагрузку, приведены на рис. 33, а-в, а на активно-индуктивную – на рис. 33, г-е.
Рис. 32. Схема m-пульсового нулевого трехфазного управляемого выпрямителя и временные диаграммы электромагнитных процессов в нем
Рис.33. Временные диаграммы выпрямленного напряжения и тока трехфазного трехпульсового управляемого выпрямителя, работающего на активную (а-в) и активно-индуктивную (г-е) нагрузку
В режиме прерывистого тока вентили преобразователя открыты до момента перехода напряжения u2 через нуль из положительной области в отрицательную. В этот момент ток вентиля становится равным нулю и вентиль закрывается.
В режиме непрерывного тока при переходе напряжения u2 в отрицательную область ток продолжает протекать через вентиль под действием ЭДС самоиндукции еd, возникающей в индуктивности цепи выпрямленного тока. Каждый предыдущий вентиль будет работать вплоть до открытия очередного.
|
|
|
Как уже было выше отмечено, для трехфазного управляемого выпрямителя граничное значение угла управления α = π/6. При значениях α ≤ π/6 кривая выпрямленного напряжения ud идентична для обоих режимов.
При Хd = ∞ кривые вторичных токов абсолютно сглажены, и выпрямитель работает в режиме непрерывных токов. Из диаграммы (рис. 33, г) видно, что в течение времени, соответствующего углу α, продолжает работать прежняя фаза (в ряде случаев и при отрицательном напряжении) за счет ЭДС самоиндукции сглаживающего реактора (точнее, индуктивности в цепи протекания постоянного тока). Эта ЭДС поддерживает работу данной фазы за счет магнитной энергии, накопленной в ту часть периода, когда напряжение трансформатора было выше среднего значения выпрямленного напряжения.
Среднее значение выпрямленного напряжения для режима непрерывных токов определяется как значение интеграла за период пульсации выпрямленного напряжения. При этом период повторения пульсации не зависит от угла α (рис. 34).
Рис. 34. Одна пульсация кривой выпрямленного напряжения рассматриваемой схемы управляемого выпрямителя
Среднее значение выпрямленного напряжения определится:
(128)
Из этого выражения следует, что с увеличением α значение выпрямленного напряжения снижается по закону косинуса этого угла и, тем самым, осуществляется плавное бесконтактное регулирование выпрямленного напряжения.
Для режима прерывистых токов среднее значение выпрямленного напряжения равно:
(129)
Уравнение внешней характеристики управляемого выпрямителя имеет вид:
(130)
В соответствии с записанными выражениями управляемый выпрямитель имеет семейство внешних характеристик:
Рис. 35. Семейство внешних характеристик управляемого
выпрямителя 
В общем виде для m-пульсового управляемого выпрямителя внешняя характеристика определяется выражением:
|
|
|
(131)
Если учитывать, что коммутация токов вентилями осуществляется за период времени γ, то электромагнитные процессы в m-пульсовом нулевом выпрямителе примут вид, представленный на рис. 36.
Для более сложных схем выпрямления (например, шестипульсовой мостовой) электромагнитные процессы приведены в методических указаниях к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении».
Рис. 36. Диаграммы выпрямленного напряжения и токов тиристорных плеч с учетом регулирования и коммутации токов
Задержка подачи на тиристоры управляющих импульсов относительно моментов естественной коммутации на угол α приводит к изменению доли гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения. Из диаграмм видно, что с ростом значения α увеличивается размах колебаний в кривой переменной составляющей выпрямленного напряжения (растет размах пульсаций). В то же время период повторяемости пульсаций не зависит от угла регулирования α.
Управляемые выпрямители получили достаточно широкое распространение в электроприводе, так как позволяют плавно регулировать выпрямленное напряжение, а в системах электроснабжения электрических железных дорог наряду с регулированием осуществлять инверторный режим для преобразования постоянного тока в переменный, создавать новые защитные и коммутационные устройства.
Качественно управление преобразователем сказывается на всех его показателях:
– с ростом угла α снижается среднее значение напряжения на выходе преобразователя;
– искажается форма кривой этого напряжения;
– ухудшаются условия работы вентилей в непроводящую часть периода за счет увеличения скачка обратного напряжения;
– уменьшается величина угла коммутации γ за счет того, что этот процесс совершается при более высоком напряжении;
– ухудшается коэффициент мощности преобразователя.
Технико-экономические показатели управляемых выпрямителей ниже, чем неуправляемых. Это касается условий работы вентилей и трансформаторов, показателей качества электроэнергии и в определенной степени ограничивает их применение. Однако необходимость создания коммутационных, защитных устройств и инверторов приводит к использованию управляемых преобразователей.
Библиографический список
1. Салита Е. Ю. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи». 2-е изд., перераб. и доп. / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалева; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 44 с.
|
|
|
2. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника: Учебник: в 2 т. Т. 2: Электронная и преобразовательная техника. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебника для студентов вузов ж.-д. транспорта / А. Т. Бурков. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2015. 307 с.
3. Засорин С. Н. Электронная и преобразовательная техника: Учебник для вузов ж.-д. трансп. / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. М.: Транспорт, 1981. 319 с.
4. Барковский Б. С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях: Конспект лекций по разделу курса "Электронная и преобразовательная техника" / Б. С. Барковский; Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.
5. Зорохович А. Е. Основы электроники для локомотивных бригад / А. Е. Зорохович, С. С. Крылов. М.: Транспорт, 1983 (1992). 224 с.
6. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций / Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; Под ред. М. Г. Шалимова. М., 1990. 127 с.
7. Забродин Ю. С. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Ю. С. Забродин. М.: Высшая школа, 1982. 496 с.
8. Кулинич Ю. М. Электронная преобразовательная техника: Учебное пособие. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебного пособия для студентов вузов ж.-д. транспорта / Ю. М. Кулинич. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2015. 204 с.
9. Устройства силовой электроники железнодорожного подвижного состава: Учебное пособие. Допущено федеральным агентством ж.-д. транспорта в качестве учебного пособия для студентов вузов ж.-д. транспорта / В. М. Антюхин, А. А. Богомяков, Ю. А. Евсеев и др. Под ред. Ю. М. Инькова и Ф. И. Ковалева. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на ж.-д. транспорте», 2011. 471 с.
|
|
|
