1.7 Трехфазный однотактный управляемый выпрямитель

Трехфазный однотактный выпрямитель, или трехфазный выпрямитель с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора, имеет в своем составе вентильный блок и сетевой трансформатор, вторичная обмотка которого соединена в звезду с выводом нулевой точки этой обмотки. Тиристоры подключены к выводам вторичных обмоток своими анодами, а катоды их соединены в общую точку. Нагрузка подключена между нулевой точкой вторичной обмотки и общей точкой катодов вентилей. Общая точка катодов венти­лей служит положительным полюсом выходного напряжения, а нулевая точка вто­ричной обмотки трансформа­тора - отрицательным полю­сом. Вентили поочередно пропускают ток через цепь нагрузки.

На рисунке 9 приведена электрическая схема этого выпрямителя.

Рисунок 9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора

Работа схемы иллюстрируется диаграммами, приведенными на рисунке 10. Токи в вентиле и соответствующей фазе вторичной обмотки трансформатора равны i_в=i₂ (для конкретных фаз i_в1=i_а, i_в3=i_в, i_в5=i_c) и протекают только на одном полупериоде напряжения переменного тока в течение временного такта θ=2π/3. Поэтому этот преобразователь называют трехфазным однотактным. Начало ведения тока вентилем определяется моментом подачи импульсов управления u_уv на этот вентиль и ха­рактеризуется углом регулирования (или управления) α, отсчиты­ваемым от точек пересечения фазных напряжений k, l, m - точек естественного открытия вентилей, в сторону отставания. Опережение им­пульсами управления точек k, l, m не приведет к естественной коммутации тока вентилей, так как в таком случае ток должен переходить с вентиля, имеющего более высокий потенциал анода, на вентиль с меньшим анодным потенциалом, что может быть осуществлено только с применением устройств принудительной коммутации или двухоперационных и полностью управляемых вентилей. На диаграмме рисунка 10 принято α=0. В каждый момент времени мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d (утолщенная кривая на рисунке 10) определяется мгновенным значе­нием кривой напряжения той фазы, с которой соединен работающий вен­тиль.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d зависит от угла управления и от режима работы схемы, который при этом имеет место. Так, для режима, соответствующего активно – индуктивному харкатеру нагрузки (L_d=∞) и α>π/6, прохождение анодного тока через вентиль не прекращается в течение такта θ, не­смотря на то, что к концу интервала работы вентиля в фазе вторичной обмотки трансформатора появляется отрицательное напряжение. Это объ­ясняется тем, что возникающая в процессе снижения анодного тока по­ложительная ЭДС самоиндукции на L_d уравновешивает отрицательное фазное напряжение, падение напряжения в вентиле и активное падение напряжения в анодной цепи. Поэтому при L_d=∞ ток непрерывен при любом значений угла α и выражение для среднего значения выпрямленного напряжения имеет вид:

(40)

где

;

U₂- действующее значение вторичного фазного напряжения трансформатора;

k_сх-коэффициент преобразова­ния схемы, для трехфазного однотактного преобразователя k_сх=1,17.

Среднее за период значение тока вентиля

(41)

где i_а - ток фазы а вторичной обмотки трансформатора на интервале

проводящего состояния вентиля V1 равен току нагрузки:

i_a=I_d.

Рисунок 10. Временные диаграммы, поясняющие работу трехфазного однотактного выпрямителя

Действующее значение фазного тока схемной обмотки (вторичной) трансформатора и действующее значение тока вентиля

(42)

Напряжение на каждом вентиле равно разности фазных напряжений - фазы, подключенной к аноду того вентиля, на котором определяет на­пряжение, и фазы, подключенной к аноду работающего вентиля. Например, при работе вентиля VS3 напряжение на вентиле VSI u_в1=u_а-u_в, а при работе вентиля VS5 u_в1=u_а-u_с (рисунок 10). Следователь­но, максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно ам­плитуде линейного вторичного напряжения трансформатора

(43)

При α=π/2 в соответствии с (40) U_d=0, что и определяет диа­пазон изменения угла регулирования выпрямителя при активно – индуктивном характере нагрузки (L_d=∞ ): 0≤ α ≤ π/2.

При чисто активной нагрузке (L_d=0) прерывистый ток получается при углах регулирования α>π/6 , а среднее значение выпрямленного напряжения при α>π/6 определяется по формуле (44):

(44)

Нетрудно видеть, что в этом случае выходное напряжение будет равно нулю только при α=5π/6 . Напомним, что приведенные на рисунке 10 временные диаграммы характеризуют работу трехфазного неуправляемого выпрямите­ля с нулевым выводом при угле регулирования α=0.

Режим работы трансформаторов в этой схеме выпрямления, также как и в других схемах выпрямления су­щественно отличается от работы их в линейных цепях переменного тока. В основе этого лежит несинусоидальность токов в схемных (вторичных) обмотках и в ряде схем еще и однополупериодность (однотактность) протека­ния токов по фазам вторичных обмоток. В результате создаются условия, приводящие к образованию постоянных составляющих токов во вторичных обмотках трансформатора (смотри рисунок 10, кривую тока i_в1=i_а=f(ωt)).

Несинусоидальность токов вторичных обмоток обуславливает также несинусоидальность токов в фазах первичных обмоток, но в токах этих обмоток отсутствуют постоянные составляющие. Дополнительной особен­ностью, связанной с различной формой первичных и вторичных токов, является различная величина действующих значений этих токов по отношению к среднему значению выпрямленного тока I_d и, следовательно,

различная величина расчетной мощности обмоток трансформаторов.

Определение первичного тока обмотки трансформатора

В общем случае величина и форма кривой тока в первичной обмотке трансформатора определяется на осно­вании уравнений равновесия намагничивающих сил сердечника трансфор­матора.

Рассмотрим алгоритм определения первичного тока на примере трехфазно­го однотактного выпрямителя (рисунок 9) при общепринятых допущениях.

Рисунок 11. Схема магнитной цепи трехфазного трансформатора с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора (а) и временные диаграммы токов и намагничивающей силы одного стержня сердечника магнитопровода трансформатора (б)

На первом рассматриваемом такте работы схемы при ведении тока вентилем VS1 уравнения равновесия намагничивающих сил в сердечнике трехфазного стержневого трансформатора в соответствия с его конст­руктивной схемой, представленной на рисунке 11,а, будут иметь следующий вид

(45)

Совместно с уравнениями

уравнения (45) составляют систему, которая может быть решена отно­сительно токов i_а, i_в, i_c. Принимая трансформатор приведенным (W₁=W₂), окончательно получим

(46)

На последующем такте, при работе вентиля VS3, полная система уравнений имеет вид

(47)

Решение системы уравнений (47) при условии W₁=W₂ имеет вид:

(48)

На третьем такте при работе вентиля VS5 имеем

(49)

На основания соотношений (46),(48) и (49) на рисунке 11,б построе­на временная диаграмма первичного фазного тока трансформатора. Действующее значение первичного тока трансформатора для трех­фазного однотактного выпрямителя при условии W₁=W₂

(50)

Намагничивание сердечника трансформатора. На рисунке 11,б нанесе­на мгновенная намагничивающая сила, действующая в стержне А сердеч­ника трансформатора

(51)

которая постоянна по величине во времени и направлению в сердечнике. Такие же значения будут получены для намагничивающих сил фаз В и С, F_в=F_c

F_А=F_в=F_c=const. . (52)

Величина этих намагничивающих сил значительно больше намагничиваю­щей силы трансформатора от тока холостого хода.

В контуре магнитопровода трехстержневого сердечника, полученные намагничивающие силы не могут создать магнитный поток. Поэтому каж­дая фаза образует постоянный поток рассеяния, силовые линии которого замыкаются по окружающему прост­ранству, через крепежную арматуру и кожух трансформатора. Такой по­ток не является большим, но заметно влияет на возрастании по­терь от вихревых токов и перемагничивания в конструктивных элементах, так как реально намагничивающие силы F_А,F_в и F_c являются пульсирующими.

При использовании в схеме трехфазного однотактного выпрямителя (рисунок 9) трехфазного группового транс­форматора работа схемы оказывается невозможной, так как каждая из намагничивающих сил будет создавать поток постоянного подмагничивания в сердечниках однофазных трансформаторов. В практических случа­ях применения трехфазного однотактного выпрямителя для устранения подмагничивания сердечника трансформатора следует вторичную обмотку соединять зигза­гом.

Заметим, что в трехфазном мостовом выпрямителе подобного вынужденного намаг­ничивания сердечника трансформатора не происходит.

Расчетная мощность трансформатора.

На основании соотношений между действующими значениями напряжений и токов в обмотках трансформатора и средними значениями выходных величин U_d, I_d, определим кажущиеся (расчетные) мощности обмоток S₁, S₂ и их связь с выход­ной мощностью выпрямителя P_d. Значения S₁=m₁U₁I₁ и S₂=m₂U₂I₂ характеризуют одновременно допустимую мощность нагрузки обмоток при работе трансформатора в сети с синусоидальными токами и напряжениями. Напомним, что отношения этих величин к выходной мощности выпрямителя P_d =U_dmaxI_dN, определенной при нулевом угле регулирования пре­образователя α=0, называются коэффициентами расчетной мощности обмоток.

Для трехфазного однотактного выпрямителя при условии W₁=W₂ на ос­новании соотношений (48), (50) имеем

Определение габаритов сердечника трансформатора принято проводить по среднему коэффициенту рас­четной мощности трансформатора

(53)

Напомним, что коэффициенты расчетной мощности трансформатора являются одним из основных энергетических характеристик выпрямительных схем, определяю­щих массогабаритные показатели преобразователя, и показывают во сколько раз должна быть увеличена мощность обмоток трансформатора, вследствие несинусоидальности их токов в выпрямительной схеме, по сравнению с линейной цепью для пе­редачи в нагрузку мощности при условии равенства потерь энер­гии в обмотках.

Вопросы для самоконтроля:

1. Cформулируйте принцип работы трехфазного однотактного управляемого выпрямителя.

2. Сформулируйте особенность работы трансформатора в этой схеме выпрямления.

3 Укажите во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле больше среднего значения напряжения на нагрузке.

4 Укажите среднее значение тока вентиля в масштабе тока нагрузки.

5. Чему равна частота пульсаций выпрямленного напряжения?

6 Во сколько раз расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора больше мощности нагрузки?

7 Во сколько раз расчетная мощность первичной обмотки трансформатора больше мощности нагрузки?

8 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки?