Трехфазные выпрямители

1. Трехфазные выпрямители

 

Схемы выпрямителей трехфазного  питания применяются в основном для питания потребителей средней  и большой мощности. Первичная  обмотка трансформаторов таких  выпрямителей состоит из трех фаз  и соединяется либо в звезду, либо в треугольник. Вторичные обмотки трансформатора (их может быть несколько) также трехфазные. С помощью специальных схем соединения вторичных обмоток и всего выпрямителя можно получить выпрямление напряжение с числом пульсаций за период , кратным трем. С увеличением числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих электрических фильтров либо вообще отпадает необходимость в них.

Выпрямители трехфазного  питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.

Схемы выпрямителей трехфазного  питания используются для питания  статических нагрузок активного  и активно-индуктивного характера, статических нагрузок с противо-э.д.с., а также динамических нагрузок в виде электродвигателей постоянного тока. Последний вид нагрузки следует рассматривать как противо-э.д.с. с индуктивностью.

 

2. Схема с нулевым выводом (схема Миткевича)

 

Составным элементом  сложных схем выпрямителей трехфазного  питания является простая трехфазная схема с нулевым выводом, предложенная Миткевичем (рис. 1). Работа схемы описывается далее.

 

 

Рис. 1.

 

3. Основные особенности импульсного метода регулирования

 

Регулирование напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.

С помощью импульсного  преобразователя источник постоянного  или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке.

Преобразователи, позволяющие  осуществлять широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке, называют широтно-импульсными преобразователями (ШИП).

ШИП находят широкое  применение для регулирования и  стабилизации напряжения различных  потребителей (электротранспорт, электропривод  металлообрабатывающих станков, в бортовых системах и т.д.), что объясняется рядом их преимуществ:

• высокий к.п.д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности в случае непрерывного регулирования;
• малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости ключа, а не величина внутреннего сопротивления регулирующего элемента, что имеет место при непрерывном регулировании;
• малые габариты и масса;
• постоянная готовность к работе.

Вместе с тем широтно-импульсным преобразователям присущи и недостатки:

• импульсный режим работы регулирующего элемента приводит к необходимости устанавливать выходные фильтры, что вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах;
• высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводит к возникновению радиопомех.

Несмотря на указанные  недостатки, применение импульсных преобразователей перспективно в тех случаях, когда  на первое место выдвигаются требования высокой экономичности, надежности, малых габаритов, малой чувствительности к колебаниям температуры, высокой гибкости и точности регулирования.

Выходные каскады ШИП наиболее просто выполнять на полностью управляемых  вентилях — транзисторах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится по базовым цепям.

 

4. Описание работы схемы

 

Электрические параметры определяются в общем виде для многофазного выпрямителя с числом пульсаций  выпрямленного напряжения за период , для схемы Миткевича .

При активно-индуктивной нагрузке ( ; ; ) схема может работать в двух режимах. Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от диапазона изменения угла регулирования , но и от соотношения параметров нагрузки и . Так же, как и в однофазных схемах, кривая выпрямленного напряжения может иметь отрицательные значения, что объясняется возможностью вентиля пропускать ток при отрицательном напряжении на обмотке данной фазы за счет накопленной энергии в магнитном поле дросселя . При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и и ничем не отличается от случая активной нагрузки при . При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным (рис. 2).

При учете индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора так же, как и в однофазном выпрямителе, имеются интервалы, соответствующие работе одного и двух вентилей.

 

 

Рис. 2.

 

Рассмотрим режим, соответствующий  двум интервалам периода — интервалу  одиночной работы вентиля, когда ток в вентиле равен току нагрузки , и интервалу одновременной работы двух смежных по фазе вентилей, называемому интервалом коммутации. В течении интервала коммутации ток в одном вентиле уменьшается от значения до нуля, в другом увеличивается от нуля до значения .

В период коммутации анализ схемы удобно производить методом  наложения действий источников синусоидальных э.д.с. вторичных обмоток трансформатора и источника постоянного тока , действующего за счет энергии, накопленной в магнитном поле сглаживающего дросселя к началу коммутации.

Временные диаграммы  токов и напряжений в трехфазном управляемом выпрямителе с нулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке ( ; ; ) приведены на рис. 2.

 

5. По структурной схеме

 

На входе схемы стоит  трансформатор для понижения  сетевого напряжения. Напряжение с трансформатора подается на управляемые вентили, где выпрямляется и фильтруется фильтром, а затем выпрямленное поступает к нагрузке. Стабилизация происходит за счет регулирования угла отпирания вентилей. Сигналы для отпирания тиристоров приходят с системы управления (СУ), для нашего случая можно использовать оптотиристоры или трансформатор для гальванической развязки СУ и силовой части. Система синхронизации согласована с частотой сети.

 

6. Расчет силовой части

 

Расчет основных соотношений:

Определяем , , , , :

 

В;

В;

В;

В;

В.

 

Определяем коэффициенты изменения питающего напряжения:

 

;

.

 

Зададимся падением напряжения на элементах схемы:

• на активном сопротивлении трансформатора: ;
• на вентилях: В;
• на активном сопротивлении дросселя: .

Определим максимальное и минимальное требуемое выпрямленное напряжение , , учитывая нестабильность и диапазон регулирования выходного напряжения, а также потери в элементах схемы:

 

В,

В,

 В.

 

Уравнение нагрузочной характеристики имеет вид:

 

 

.

 

При минимальном напряжении сети и максимальном напряжении на нагрузке будет справедливо:

 

, .

 

Зададимся минимальным  углом управления . Исходя из этого определим необходимое минимальное напряжение на фазной обмотке:

 

В.

 

Определим номинальное  и максимальное значения напряжений на фазной обмотке:

 

В;

В.

 

Зная максимальное напряжение на фазной обмотке, определим максимальный угол управления:

 

.

 

 

Определим номинальный угол управления:

 

.

 

Из полученных значений для углов  регулирования следует, что возможна робота нулевого диода.

Определим максимальные и минимальные  токи нагрузки:

 

А;

А.

 

Расчет основных параметров вентилей:

Максимальный ток через вентили:

 

А.

 

Максимальный ток через нулевой  диод:

 

А.

 

Максимальное обратное напряжение на тиристорах

 

 

 

Максимальное обратное напряжение на нулевом диоде:

 

В.

 

Выбираем следующие элементы с [2]:

Диод: 50WQ06FN с параметрами: максимальный средний ток А; максимальный импульсный ток А при 5мкс и А при 10мс; максимальное обратное напряжение В; максимальное падение напряжения в открытом состоянии В; диапазон рабочей температуры С.

Тиристоры: 10R1A10 с параметрами: максимальный средний ток А; максимальный ток для переменного напряжения частотой 50Гц — , 60Гц — ; ток управления мА; максимальный ток управления А; максимальное обратное напряжение В; максимальное падение напряжения в открытом состоянии В; диапазон рабочей температуры С.

По вольт-амперным характеристикам  элементов определяем сопротивления  элементов в открытых состояниях:

Ом — сопротивление тиристора;

Ом — сопротивление диода.

Расчет трансформатора:

Определим коэффициент трансформации :

 

.

 

 

Определяем габаритную мощность трансформатора:

 

ВА.

 

Определяем активное сопротивление  трансформатора и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:

 

;

.

 

где — плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм²;

 — амплитуда магнитной  индукции, Т.

Определяем  , из [3]: А/мм², Т.

Определяем  , :

 

Ом;

Гн.

 

Определим :

 

Ом.

 

Определим :

 

 

Ом.

Как видим сопротивление трансформатора меньше принятого нами.

Максимальное значение токов первичной и вторичной  обмоток трансформатора:

 

А;

А.

 

Расчет фильтра:

Определим необходимый коэффициент  сглаживания индуктивно-емкостного фильтра по формуле

 

.

 

Для нашего случая , тогда получим:

 

.

 

При коэффициенте сглаживания  рекомендуется применять однозвенный фильтр, при — двухзвенный, а трехзвенный — при . Поскольку полученный нами коэффициент лежит в пределах от 22 до 220 то, в соответствии с рекомендациями, применим двухзвенный фильтр.

Поскольку у нас  то достаточно фильтр с одного звена.

Коэффициент сглаживания  индуктивно-емкостного фильтра можно  определить как:

 

 

.

 

Определим произведение :

 

.

 

Подставим числовые значения:

 

ФГн.

 

Индуктивность дросселя определим  из условия непрерывности тока в  нем:

 

.

 

Подставим числовые значения:

 

мГн.

 

Выбираем дроссель с [4]:

Дроссель типа IHV с параметрами: индуктивность дросселя – 500мкГн, разброс номинала ; максимальный ток через дроссель – 15А; сопротивление дросселя 0.05Ом.

Падение напряжения на дросселе:

 

В.

 

Как видим это значение близко к  принятому.

Емкость конденсатора фильтра:

 

Ф.

 

Выбираем конденсатор с [4]:

Конденсатор типа 021ASM с параметрами: емкость конденсатора — 470мкФ, разброс номинала ; допустимое напряжение 63В.

 

7. Расчет переходного процесса

 

Поскольку происходит коммутация тиристоров, то для расчета переходного  процесса, заменяем нашу схему двумя эквивалентными, которые соответствуют двум интервалам работы схемы: и .

Элементы: трансформатор, тиристоры и диод заменяем моделями.

Эквивалентные схемы  для двух периодов имеют вид: