16. Трехфазный нулевой управляемый выпрямитель

Как следует из рис.2.37, сигналы управления поступают на сило- вые вентили T₁, Т₂, Т₃со сдвигом на угол управления относительно точек естественной коммутации 1, 2, 3, ... ПриX_d= 0 форма выпрямленного напряжения и тока одинаковы (рис.2.37, б, в).

В этом случае, очевидно, при <30 будет режим непрерывного тока; при  = 30  гранично-непрерывный режим; а при  > 30 – режим прерывистых токов. В режиме прерывистых токов при X_d = 0 выпрямленное напряжение Е_d находится из выражения:

(2.94)

В этом режиме, но при X_d > 0 (рис.2.37, в – тонкая линия):

(2.95)

В режиме непрерывного тока

По полученным выражениям можно построить регулировочные характеристики этого выпрямителя (рис.2.38). Две граничные кривые (X_d = иX_d = 0) ограничивают область существования семейства характеристик для любого значения X. Особенности коммутационных процессов в этой схеме рассмотрим на примере режима X_d = ; X_a  0 (рис.2.39). Электромагнитные процессы на коммутационном интервале протекают точно так же, как в неуправляемом выпрямителе, но со сдвигом по сравнению с ним на угол  и, следовательно, со всеми особенностями, отмеченными в 2.1.4.

(2.97)

(2.98)

Напряжение на вентиле в отличие от рис.2.37 будет иметь скачок на коммутационном интервале (рис.2.39).

При работе выпрямителя на двигательную нагрузку (режим работы с противо ЭДС) следует учитывать все особенности, которые были отмечены в 2.2.1. Для этой схемы длительность импульсов управления при  <  и малой величине X_d должна быть не менее (рис.2.40).

Условие режима прерывистых токов: Е₀ > Е_d где, ; при Е₀ = Е_d – имеет место гранично-непрерывный режим, а при Е₀<Е_d  U_x, где  коммутационные потери выпрямленного напряжения, наступит режим непрерывного тока. В этом режиме при X_a  0 при переключении вентилей будут протекать коммутационные процессы со всеми отмеченными выше особенностями.

17.Энергетические показатели управляемых выпрямителей и методы их улучшения.

Важнейшими энергетическими показателями выпрямителей являются коэффициент полезного действия  и коэффициент мощности . КПД учитывает потери в схеме выпрямителя и определяется как где Р_d – активная мощность, выделяющаяся в нагрузке (при малых -пульсациях выпрямленного тока Р_d  U_dI_d); P_т – потери в силовом трансформаторе, складывающиеся из потерь в стали магнитопровода и потерь в обмотках; P_в – потери в вентилях выпрямителя;

P_доп – дополнительные потери во вспомогательных устройствах -(в системе управления, системе охлаждения). Коэффициент мощности  определяет влияние выпрямителя на питающую сеть и определяется, как , гдеР – активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей - сети; S – полная мощность.

Поскольку напряжение питающей сети считаем синусоидальным, а ток, потребляемый из сети в большинстве случаев несинусоидален, то:

где I₁₍₁₎ – действующее значение первой гармоники потребляемого из сети тока; ₁ – угол сдвига по фазе между напряжением питающей сети и первой гармоникой потребляемого тока; I₁ – действующее значение потребляемого из сети тока; I_k – действующее значение гармоники потребляемого тока с порядковым номером k.

(2,39)где – коэффициент искажения. Как уже было показано выше, мощность высших гармоник потребляемого тока не имеет постоянной составляющей и колеблется между силовым трансформатором и питающей сетью, обусловливая увеличение расчетной мощности трансформатора и ухудшая ряд других показателей. Составляющая полной мощности, определяемая коэффициентом , называется мощностью искажения Т. гдеQ – реактивная мощность, потребляемая из сети и определяемая через cos, называемый коэффициентом сдвига: . Для определения угла₁ рассмотрим цепь вторичной обмотки выпрямительного трансформатора (рис.2.15) при X_d = , угле управления  и угле коммутации . Заменяя реальную кривую анодного тока i_a на равнобокую трапецию, выделяем первую гармонику этого тока i₂₍₁₎. Она будет ясдвинута в сторону отставания от напряжения на угол . Поскольку в первичной обмотке трансформатора протекает такой же по форме токi₁, то первая гармоника его i₂₍₁₎ будет также сдвинута относительно напряжения питающей сети U на тот же угол . Таким образом, в управляемых выпрямителях коэффициент мощности существенно зависит от угла управления и угла коммутации . Следует отметить, что в многофазных выпрямителях при несимметрии нагрузки в фазах появляется еще одна составляющая полной мощности – мощность несимметрии и определяемая коэффициентом несимметрии. В этом случае полный коэффициент мощности. Векторная диаграмма составляющих полной мощности управляемого выпрямителя представлена на рис.2.16. В симметричных же многофазных системах мощность несимметрии отсутствует.

Методы улучшения энергетических показателей управляемых выпрямителей

Как видно из выражения (2.39), увеличение коэффициента мощности может идти по двум направлениям: улучшение коэффициента искажения  и уменьшение угла .

Для увеличения  следует увеличивать пульсность выпрямителя, приближая таким образом кривую тока i, к синусоиде.

Для уменьшения угла  существует множество способов. Одним из самых простых и широко распространенных является использование нулевого вентиля (рис.2.17). В отличие от обычного выпрямителя в этой схеме в кривой выпрямленного напряжения U_d не будет отрицательных участков, так как силовые вентили будут закрываться сразу после смены полярности на вторичных обмотках трансформатора, а ток нагрузки на интервалах [0 ;  ( +)] примет на себя вентиль В₀. В связи с этим длительность протекания анодных токов i_a1 и i_a2 будет меньше и первая гармоника тока i₂₍₁₎ будет сдвинута по фазе на угол относительно ЭДСе₂.

Соответственно и первая гармоника первичного тока будет иметь такой же фазовый сдвиг относительно напряжения питающей сети U_l: , что позволяет существенно увеличить соs₁ и коэффициент мощности выпрямителя в целом.

Довольно часто применяются для этой же цели так называемые полууправляемые выпрямители – однофазные или трехфазные мостовые выпрямители, у которых половина вентилей – управляемые, а половина – неуправляемые. Недостатком таких схем является то, что при большой величине X_d ее невозможно выключить по цепи управления вентилей, так как запасенной в магнитном поле X_d энергии достаточно для того, чтобы поддержать тиристор в открытом состоянии в течение половины периода, до тех пор, пока ЭДС снова не станет положительной для этого тиристора. Основным недостатком схем с нулевым вентилем или с эффектом нулевого вентиля является увеличение искажения формы потребляемого тока i₁, которое пропорционально углу управления . Существует целый ряд других способов уменьшения угла , но кардинальным способом решения этой проблемы является использование в схемах выпрямителя полностью управляемых вентилей. Такие выпрямители называются компенсационными.

Интересно, что при , можно получить емкостный характер тока, когдабудет опережать по фазе ЭДС. В этом случае управляемый выпрямитель можно использовать наряду с его прямыми функциями еще и в качестве компенсатора реактивной энергии сети, подобно синхронными компенсаторам, устанавливаемых в мощных сетях для улучшения энергетических показателей. Описанный способ позволяет получить минимальное значение коэффициента сдвига. Для получения максимального значения коэффициента искажения. Необходимо приблизить форму первичного тока, потребляемого из питающей сети, к синусоиде, что крайне сложно при условии. Для решения этой проблемы необходимо увеличивать пульсность выпрямителя. Тогда первичный ток будет представлять собой ступенчатую кривую, тем ближе аппроксимируемую синусоидой, чем больше количество степеней, что в свою очередь, определяется пульсностью выпрямителя. Поэтому мощные выпрямители стараются выполнять с возможно большей пульсностью. Однако это связано с усложнением самой силовой схемы, в частности, силового трансформатора, ухудшением массо-габаритных показателей и рядом других недостатков. Но и эту проблему можно решить, если наряду с использованием полностью управляемых ключей в силовой схеме выпрямителя, реализовать при регулировании выпрямленного напряжения методы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 2.20). Тогда величину выпрямленного напряжения можно регулировать изменением замкнутого и разомкнутого состояния силовых ключей, а модулируя ширину импульсов в течении полупериода питающего напряжения по синусоидальному закону, можно получить кривую изменения переменного тока, максимально приближенную к синусоиде. Таким образом, и коэффициент сдвига:. И коэффициент искажения:. Такие управляемые выпрямители, выполненные на полностью управляемых силовых ключах и работающие в релейных или в импульсно-модуляционных режимах ШИМ, называются активными выпрямителями и в последнее время очень интенсивно развиваются. Этому способствует появление новых экономичных полупроводниковых силовых ключей, рассмотренных в предыдущей главе. Отличительными характерными свойствами активных преобразователей является полная управляемость переменных параметров на их силовых входах, позволяющая обеспечивать одновременно с реализацией заданного качества выходных параметров также активное формирование режима электропотребления из питающей сети. Поэтому в настоящее время активные преобразователи имеют блестящие перспективы использования в силовой преобразовательной технике.

Рис2.20