Мартынов_силаI

а относительная ее величина

где k = 1, 2, 3, … – порядковый номер гармоники.

На рис. 31 приведена зависимость относительной величины основной гармоники пульсаций от угла регулирования αдля трех рассматриваемых схем выпрямления: U1m = f(α).

При k = 1 гармоника имеет кратную частоту напряжения питающей сети в kтm2 раз и называется основной. Для рассматриваемых схем выпрямления kтm2 = 6.

Определим максимальный угол регулирования αmax при следующих условиях:

– ток цепи постоянного тока достигает своего минимального значения:

Id min = 0,1IdN = 250 A;

– напряжение питающей сети достигает своего максимального значения:

Uc max = Uс N(1 + 0,1) = 1,1Uс N.

cosαmax = Ud õõ . kcõkcU2ô

Рассчитанные с учетом этих условий углы регулирования αmax для трех рассматриваемых схем выпрямления:

– трехфазная мостовая схема выпрямления: αmax = 36°;

Uim

0,4

0,3

0,2

0,1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 α, ãðàä

Рис. 31. Зависимость относительной величины основной гармоники пульсаций от угла регулирования α

111

– двойная трехфазная схема с уравнительным реактором:

αmax = 49°;

– кольцевая схема: αmax = 43°.

Однако если по условиям работы зарядного устройства потребуется регулировать напряжение Ud от нуля, то следует αmax принимать близким 90°.

Вэтом случае величину U1m следует принимать равной 0,34,

аамплитуду основной гармоники пульсаций рассчитывать по соот-

ношению Uо.г m = 0,34Ud0.

Значения напряжения Ud0 = Ud хх для рассматриваемых схем выпрямления с учетом вышеперечисленных условий:

–трехфазная мостовая схема: Ud0 = 11,06 B;

–двойная трехфазная с уравнительным реактором: Ud0 = 10,01 B;

–кольцевая схема: Ud0 = 10,62 B.

Таким образом, максимальное значение амплитуды основной гармоники пульсаций для:

–трехфазной мостовой схемы Uо.г m = 0,34 · 11,06 = 3,76 B;

–двойной трехфазной с уравнительным реактором Uо.г m = 0,34 ×

×10,1 = 3,43 B;

–кольцевой схемы Uо.г m = 0,34 · 10,62 = 3,61 B.

Для расчета индуктивности сглаживающего фильтра необходимо установить допустимую величину амплитуды тока основной гармоники Iо.г m. С целью предотвратить прерывистый характер тока цепи нагрузки необходимо выполнить условие Iо.г m < Id min, т. е. Iо.г m должна быть меньше величины Id min = 250 A. Примем

Iо.г m = 125 А.

Требуется величина индуктивности сглаживающего дросселя:

– для трехфазной мостовой схемы

– для двойной трехфазной с уравнительным реактором

– для кольцевой схемы

112

Можно определить требуемое значение Ld из известного соотношения [6]:

Для рассматриваемых схем

kтm2 = 6 и

1- π ctg π =0,094. kòm2 kòm2

Iãð m = 0,094Ud xx sinα.

ω1Ld

Определим индуктивность сглаживающего дросселя для трехфазной мостовой схемы при α = 36° и ω1 = 2πf1 = 314 c–1:

Таким образом, для трехфазной мостовой схемы при напряжении холостого хода Ud xx = 11,06 B и значении граничного тока Iгр m = 125 А необходима индуктивность дросселя

Ld =1,76×10-4 ×11,06 =0,156×10-4 Ãí=15,6×10-6 Ãí. 125

Сравнивая два рассчитанных выше значения индуктивности фильтра, можно видеть их хорошее совпадение. Выбор стандартного реактора по каталогам необходимо проводить с запасом по величине индуктивности примерно в 1,5–2,0 раза. Выбираем реактор, индуктивность которого равна 20 · 10–6 Гн. Рабочий ток обмотки дросселя должен быть не менее номинального тока нагрузки, IdN = 2500 А. По паспортным данным на дроссель необходимо определить величину активного сопротивления обмотки дросселя, рассчитать величину падения напряжения на нем и сравнить со значением, принятым выше. В случае несовпадения этих значений необходимо снова вернуться к расчету и провести расчет, используя значение активного сопротивления обмотки стандартного реактора. Если уточнение не требуется, то далее следует выбрать конденсатор фильтра, используя формулу (142):

s+1

LôCô = ω2ï .

113

Коэффициент сглаживания фильтра s = kп1/kп2.

Коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя (на входе фильтра) следует определить по формуле (59) для максимального значения угла регулирования αmax = 36° (для мостовой схемы):

s= kï1 = 0,21 =10,5. kï2 0,02

LôCô = 10×,5+12 =3,24×10-6ÃíÔ. (6 314)

Емкость конденсатора фильтра Сф = 3,24 · 10–6/20 · 10–6 = 0,16 Ф = = 160 · 103 мкФ.

Выбираем конденсатор типа В43580 емкостью 220 · 103 мкФ, рабочее напряжение которого Uс N = 25 В. Внутреннее активное сопротивление ESR = 7 · 10–3 Ом. Выполним проверку фильтра на резонанс:

угловая частота пульсации ωп = 6 · 2 · π · fc = 1884 c–1; 476 < 942.

Параметры фильтра удовлетворяют условию отсутствия резонанса.

4.7. Оценка влияния коммутации на питающую сеть (для трехфазной мостовой схемы выпрямления)

Относительное действующее значение высших гармоник напряжения питающей сети из-за явления коммутации рассчитывается

по формуле

∆Uâ*.ã = U∆Uâ.ã . 1ô N

114

где õô =õòð =1,45×10-4 Îì.

Определим параметры короткого замыкания питающей сети, при которых искажение напряжения питающей сети не выйдет за пределы, установленные стандартом. В соответствии с (99) определим минимально допустимую величину мощности короткого замыкания питающей сети:

Это означает, что мощность короткого замыкания питающей сети должна быть больше мощности нагрузки не менее чем в 87 раз.

Определим относительное значение высших гармонических при условии, что мощность короткого замыкания питающей сети Sкз = 87 · 27,65 · 103 = 2405 · 103 В · А:

откуда видно, что искажение напряжения питающей сети при таких условиях составит не более 5%. Это вполне удовлетворяет требованиям стандарта по нормам качества электроэнергии.

Отметим, что радикальным средством уменьшения высших гармонических напряжения в составе кривой напряжения питающей сети, или, другими словами, повышения электромагнитной совместимости выпрямителя с питающей сетью, является повышение фазности схемы выпрямления. Решение этой задачи особенно актуально в автономных электроэнергетических системах, например в бортовых электроэнергетических системах морских судов и летательных аппаратов, где выпрямитель и питающая сеть могут оказываться соизмеримыми по мощности. Однако и в мощных обще-

115

промышленных электроэнергетичесих системах, например в системах передач электроэнергии на постоянном токе, выпрямители и зависимые инверторы выполняются по схемам повышенной фазности (18-, 24- и 36-фазные).

Определим гармонический состав напряжения питающей сети, к которой подключен выпрямитель, воспользовавшись для этих целей формулой (93):

где Umk′ – амплитуда k′-й гармоники; k′ – порядковый номер гармоники;

k′ = kkтm2±1, k = 1, 2, 3, …;

Pd0 = Ud0IdN – расчетное значение мощности цепи постоянного тока;

Sкз = Sкз.тр + Sкз.с.м;

Sкз – суммарная мощность короткого замыкания;

Sкз.тр – мощность короткого замыкания трансформатора; Sкз.с.м – мощность короткого замыкания синхронной машины,

питающей трансформатор.

Отношение расчетной мощности выпрямителя (Pd0) к мощности короткого замыкания питающей сети (Sкз) примем таким же, что и в предыдущем примере расчета:

Pd0 = 27650 =1,15×10-2. Sêç 2405×103

Угол коммутации γ = 18°.

Результаты расчета гармонического состава напряжения питающей сети представлены в табл. 14.

Таблица 14

Относительные значения гармоник напряжения питающей сети

116

Увеличив число гармоник, можно показать, что при k′ → ∞ действующее значение высших гармонических составит 0,05 (в относительных единицах):

k¢=¥

∆Uâ*.ã = å ek*2¢ =0,05. k¢=5

Ток первичной обмотки трансформатора трехфазной мостовой схемы содержит только нечетные гармоники, кроме третьей и кратной ей, т. е. 1, 5, 7, 11, 13 и т. д.

Без учета коммутационного процесса действующее значение k′-й гармоники первичного тока трансформатора меньше действующего значения первой гармоники первичного тока в k′ раз.

Определим коэффициент трансформации трансформатора

kòð = U1 = 220 =19,89 .

U2 11,06

Действующее значение тока, потребляемого трехфазным мостовым выпрямителем из питающей сети без учета угла коммутации γ, определим по формуле

Действующее значение тока, потребляемого трехфазным мостовым выпрямителем из питающей сети с учетом угла коммутации γ определим по формуле (101):

Коммутация несколько уменьшает действующее значение тока, потребляемого выпрямителем из питающей сети.

Действующее значение первой гармоники тока первичной обмотки без учета влияния коммутации определим по формуле (102):

Действующее значение тока любой высшей гармоники

I1(k) = I1(1)/k.

117

Определим коэффициент мощности выпрямителя без учета

ис учетом угла коммутации:

χ=kèñêkñäâ,

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения формы тока первичной сети при Ld = ∞ без учета угла коммутации

3

kèñê = π =0,955.

Коэффициент сдвига без учета угла коммутации kñäâ =cosα=cos36=0,809.

Коэффициент мощности выпрямителя без учета угла коммутации

χ=kèñêkñäâ =0,955×0,809=0,7726.

Определим по формуле (109) коэффициент искажения формы тока питающей сети трехфазного мостового выпрямителя с учетом уг-

По формуле (111) определим коэффициент сдвига с учетом значений угла коммутации γ = 18° и угла регулирования α = 36°:

Коэффициент мощности выпрямителя в целом при учете угла коммутации

χ = 0,957 · 0,698 = 0,6679.

Результаты выполненных расчетов показывают, что процесс коммутации выпрямителя приводит к уменьшению коэффициента мощности за счет уменьшения величины коэффициента сдвига.

118

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите исходные данные, необходимые для расчета выпрямителя.

2.Перечислите основные этапы методики расчета выпрямителя.

3.Укажите параметры, необходимые для выбора тиристоров силовой схемы; как рассчитать эти параметры?

4.Как рассчитать номинальный, минимальный и максимальный углы регулирования выпрямителя?

5.Какие параметры необходимы для расчета сетевого трансформатора выпрямителя или для выбора готового трансформатора

икак определить эти параметры?

6.Как рассчитать КПД выпрямителя?

7.Как рассчитать коэффициент мощности выпрямителя?

8.Как рассчитать параметры сглаживающего фильтра выпрямителя?

9.Как оценить влияние управляемого выпрямителя на питающую сеть (на форму кривых напряжения питающей сети и форму потребляемого тока)?

119

5. АКТИВНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Как уже было сказано, в целях повышения коэффициента мощностипреобразователейпеременноготокавпостоянныйинаоборот– из постоянного тока в переменный разработаны и находят практическое применение активные выпрямители [7].

Активные выпрямители могут выполняться по двум схемным вариантам: как активные выпрямители тока (АВТ) (рис. 32) и как активные выпрямители напряжения (АВН) (рис. 33). Обе схемы могут работать как в выпрямительном, так и в инверторном режиме. В цепях переменного тока каждый из этих выпрямителей содержит дроссель, который принято называть буферным реактором (БР). Вентильные блоки активных выпрямителей выполняются на полностью управляемых ключах.

Различие этих схем заключается в следующем:

– управляемые ключи АВТ имеют одностороннюю проводимость, поэтому в случае перевода преобразователя из выпрямительного

Рис. 32. Однофазная мостовая схема АВТ: ua – источник напряжения переменного тока; Eнг – источник напряжения постоянного тока; VT1–VT4 – полностью управляемые полупроводниковые ключи; VD1–VD4 – диоды; Rнг, Lнг – активное сопротивление цепи нагрузки и индуктивность цепи нагрузки

120