Мартынов_силаI

1.10. Кольцевая схема выпрямления

Кольцевая схема выпрямления, принципиальная схема которой приведена на рис. 18, предназначена в первую очередь для работы на низковольтную сильноточную нагрузку, включая и зарядку аккумуляторов [5].

Схема содержит трехфазный трансформатор с двумя трехфазными вторичными обмотками, соединенными в звезду. Нагрузка подключается через сглаживающий дроссель Ld к нулевым точкам вторичных обмоток, т. е. к точкам 01 и 02. При этом точка 02 является положительным потенциалом, а точка 01 – отрицательным. В этой схеме ток всегда проходит через один вентиль, причем через тот вентиль, к которому приложено наибольшее линейное напряжение (табл. 8).

При указанном на рис. 18 порядке подключения фаз вторичных обмоток трансформатора к вентилям номер вентиля совпадает с порядком вступления его в работу.

Рис. 18. Кольцевая схема выпрямления

61

На рис. 19 приведены следующие временные диаграммы напряжений и токов кольцевой схемы выпрямления, соответствующие режиму работы выпрямителя при α = 30° и γ = 0°:

ua1b2, ua1c2, ub1c2, ub1a2, uc1a2, uc1b2 – кривые линейных напряжений вторичных обмоток;

62

uв1 – кривая напряжения на вентиле VS1; ud – кривая выпрямленного напряжения; iв1 – кривая тока вентиля VS1;

iа1 – кривая тока фазы а1; iа2 – кривая тока фазы а2.

Длительность тока, протекающего через каждую фазу вторичной обмотки, составляет 1/3 периода питающего напряжения.

Определим ток первичной обмотки трансформатора.

Как уже было сказано, величина и форма кривой тока в первичной обмотке трансформатора определяются на основании уравнений равновесия намагничивающих сил сердечника трансформатора.

На первом такте работы схемы включен вентиль VS1 (рис. 20). Уравнения равновесия намагничивающих сил контуров, включающих:

–стержни фаз А и В: iAw1 + ia1w2 + ib2w2 – iBw1 = 0;

–стержни фаз А и С: iAw1 + ia1w2 – icw1 = 0.

Токи ia1 = ib2 = Id.

Для упрощения процесса вывода выражения тока первичной обмотки трансформатора примем равенство витков обмоток: w1 = w2.

Учтем также, что сумма токов первичной обмотки трансформатора

iA + iВ + iС = 0.

63

В этом случае

iA + Id + Id – iB = 0; iA + Id – iC = 0; iA + iB + iC = 0.

Решая эту систему уравнений, получим

iA = –Id; iB = +Id; iC = 0.

На втором такте работы схемы включен вентиль VS2 (рис. 21). Уравнения равновесия намагничивающих сил контуров, включающих:

–стержни фаз А и В: iAw1 + ia1w2 – iBw1 = 0;

–стержни фаз А и С: iAw1 + ia1w2 + iС1w2 – iСw1 = 0. С учетом вышепринятого допущения

iA + Id – iB = 0; iA + Id + Id – iC = 0; iA + iB + iC = 0.

Решая эту систему уравнений, получим

iA = –Id; iС = +Id; iB = 0. Форма тока фазы А (iА) приведена на рис. 19.

Из кривых токов вторичных и первичных обмоток (см. рис. 19) видно, что намагничивающие силы обмоток, расположенных на одном и том же стержне магнитопровода трансформатора, всегда уравновешены, что обеспечивает отсутствие какого-либо вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора.

Приведем основные расчетные соотношения для этой схемы выпрямителя:

– среднее значение выпрямленного напряжения при непрерывном характере тока нагрузки

64

– максимальное значение тока вентиля

Iв max = Id max;

– действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора при непрерывном и сглаженном токе нагрузки

– действующее значение тока первичной обмотки трансформатора при непрерывном и сглаженном токе нагрузки

– расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

1.Использование вентилей по току в части среднего значения

идействующего значения такое же, как и в двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором.

2.Отсутствует необходимость в уравнительном реакторе. 3. Использование трансформатора по мощности такое же, как

ив двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором.

4.При протекании тока нагрузки имеет место падение напряже-

ния только на одном вентиле ( Uв.пр).

5. Шестикратная пульсация выпрямленного напряжения.

65

Недостатки.

1.Использование трансформатора по мощности хуже, чем в трехфазной мостовой схеме.

2.Амплитудное значение тока вентиля равно Id (так же, как и в трехфазной мостовой схеме).

Вопросы для самоконтроля

1.Сформулируйте принцип работы кольцевой схемы выпрямления.

2.Чему равен интервал проводимости тока каждого вентиля этой схемы?

3.Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле больше среднего значения напряжения нагрузки?

4.Чему равен интервал проводимости тока каждой фазы вторичной обмотки трансформатора?

5.Чему равна частота пульсации напряжения нагрузки?

6.Чему равно среднее значение тока каждого вентиля в масштабе тока нагрузки?

7.Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки?

Сведем в табл. 9 все расчетные соотношения рассмотренных выше схем выпрямления.

В общем случае при Ld = 0 действующее значение токов первичной и вторичных обмоток трансформатора и, соответственно, их мощности увеличиваются по сравнению с работой при Ld → ∞. Особенно заметны эти различия у выпрямителей с малой пульсностью (kтm2 ≤ 3). Однако, как это показано в работе [1], при пульсности выпрямителя kтm2 ≥6 погрешность в расчете токов и мощностей трансформатора для случая Ld = 0 не превышает 0,01% по сравнению со случаем Ld → ∞.

1.11. Коммутация тока в выпрямительных преобразователях

В выпрямителях коммутация тока с вентиля на вентиль осуществляется за счет спада волны фазного напряжения. Практически такой процесс осуществляется в течение конечного интервала времени,­ выражаемого в угловых единицах через γ. Угол γ принято называть углом коммутации.

Причиной конечного­ значения угла γ > 0 является наличие в фазных цепях на входе выпрямителя индуктивных сопротивлений хф,

66

Таблица 9

Сводная таблица соотношений рассмотренных схем выпрямления при α = 0°

Примечания:

* Соотношение I1/Id соответствует коэффициенту трансформации сетевого трансформатора, равному 1.

** Параметры, соответствующие активному характеру нагрузки (Ld = 0), приведены в числителе, а активно-индуктивному (Ld = ∞) – в знаменателе.

67

обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора Lф, индуктивностями кабелей линии передачи, индуктивностями генераторов переменного тока, создающих питающую сеть [4].

Рассмотрим процесс коммутации в выпрямителе на примере трехфазной­ мостовой схемы (см. рис. 12). При открытии вентиля VS3 с углом управления­ α в контуре фаз А и В в течение угла γ имеем одновременно­ работающие вентили VS1, VS3. Образованный в результате короткозамкнутый контур коммутации представлен на рис. 22, а. Временные диаграммы напряжений и токов преобразователя при γ > 0 представлены на рис. 22, б.

Сумма токов фаз a и b на интервале угла коммутации γ, 0 ≤ ωt ≤ γ:

68

Уравнение равновесия напряжения для контура коммутации (см. рис. 22, а)

Примем за начало отсчета времени момент открытия вентиля VS3 – точку m′, другими словами, перенесем ось ординат U в положение U′.

Напряжение uab с учетом переноса оси ординат U в положение U′, соответствующее моменту открытия вентиля VS3 m′, может быть представлено следующим выражением:

С учетом соотношения (84) и (86) уравнение (85) будет иметь вид

2Lô ddita =2U2ë sin(ωt+π+α),

откуда получим выражение, характеризующее изменение тока фазы а на интервале угла коммутации γ:

Выражение для угла коммутации γ получим из выражения (87) с учетом того факта, что при ωt = 0 ток ia = Id:

Анализируя выражение (88), можно установить, что угол коммутации γвозрастает при увеличении индуктивного сопротивления рассеяния обмоток трансформатора xф и тока нагрузки Id, а увеличение напряжения переменного тока U2 приводит к уменьшению угла коммутации γ.

В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации можно определить по формуле

69

Определим влияние угла коммутации γ на величину напряжения Ud. На рис. 22, б показано, что при γ ≠ 0 величина напряжения Ud будет уменьшаться. Это падение выпрямленного напряжения принято называть индуктивным падением напряжения и обозначать как Udх:

Можно показать, что

cosα-cos(α-γ) = 2xô Id.

6U2ô

Окончательно для трехфазной мостовой схемы выпрямления получим выражение, определяющее индуктивное падение напряжения:

Это выражение учитывает снижение напряжения на выходе выпрямителя вследствие возрастания углов коммутации при увеличении тока, другими словами, учитывает «потерю» заштрихованных площадок в мгновенном выпрямленном напряжении ud при расчете величины среднего значения выпрямленного напряжения (см. рис. 22, б).

Применительно к общему случаю простых однотактных и двухтактных схем выпрямления уравнение (91), определяющее индуктивное падение напряжения, приобретает следующий вид:

или

Udõ =ÕêId .

В общем виде для любой схемы выпрямления параметр фиктивное сопротивление Хк можно определить по формуле

70