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:

1) - период :

Где: — сопротивление тиристора; — сопротивление дросселя.

Представим сумму сопротивлений и сопротивлением .

Схема примет вид:

2)

Где: — сопротивление тиристора; — сопротивление трансформатора; — сопротивление дросселя.

Представим сумму сопротивлений , и сопротивлением .

Схема примет вид:

8. Определение функции описывающие переходной процесс

Определим функции описывающие переходной процесс для двух периодов.

Используем операторный метод.

Определим значение :

Ом.

Определим значение :

Ом.

Для закона ома в операторной форме справедлива запись:

Но эта запись закона Ома справедлива для расчета переходного процесса в цепи при нулевых начальных условиях. Если же начальные условия не нулевые, форма записи закона Ома в операторной форме будет иметь вид:

где — начальные условия токов в индуктивностях и напряжений на емкостях.

Составим схемы замещения и запишем уравнения описывающие переходной процесс с учетом начальных условиях (при нулевых начальных условиях ).

Для периода :

Используя метод контурных токов, составим систему уравнений:

(1)

Представим это в виде:

(2)

где

9. Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(3)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (3), получим выражение тока :

(4)

Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(5)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (5), получим выражение тока :

(6)

Определяем значения токов в ветвях

Определим напряжение на емкости

10. Обратные изображения для Лапласа

Обратные изображения Лапласа для и находим в MathCad как функции от , :

Для периода :

в операторной форме можно представить как

(1)

Представим это в виде:

(2)

где

Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(3)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (3), получим выражение тока :

(4)

Нахождение выражения для тока

Определим через :

Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):

Получаем выражение через , , и :

(5)

Поскольку и , то:

Подставляя найденные выражения в (5), получим выражение тока :

(6)

Определяем значения токов в ветвях

Определим напряжение на емкости

11. Обратные изображения для Лапласа

Обратные изображения Лапласа для и находим в MathCad как функции от , :

Построим графики этих функция для при нулевых начальных условиях для нагрузки Ом и угла управления (диод не работает):

Определяя значения функций в точке и подставляя в те же формулы, методом накладывания строим график переходного процесса:

При нагрузке Ом получаем графики:

Составим таблицу (табл.. №1) значений токов (ток в дросселе) и напряжений (напряжение в конденсаторе) для двух нагрузок: минимальной Ом и максимальной Ом, при минимальном угле регулирования (диод не работает). Токи и напряжения определяем в точках (каждые пол такта), где :

Таблица №1

Как видим, процесс стал полностью периодичен при минимальной нагрузке с 16 такта , то есть получаем установившийся режим за 0.0133с; при максимально нагрузке с 21 такта , то есть получаем установившийся режим за 0.0175с.

Отсюда следует вывод, что установившийся режим мы получаем за время близкое к 0.02с.

Рассмотрим установившийся режим при минимальной нагрузке (до того как задействуем ОС) в более меньшем временном масштабе:

Список использованной литературы

1. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. — 2-е изд., пере раб. и доп. — Вища школа. Головное изд-во, 1983. — 431с.

2. Электронный справочник InternationalRectifier.

3. В.Е. Китаев, А.А. Бокуеяев. — Расчет источников электропитания устройств связи. — М.: Связь, 1979. —216с.

4. Интернет страничка: www.vishay.com.

5. Ромашко В.Я. — Основи аналізу дискретно-лінійних ланцюгів: Навч. Посібник. — К.: Либідь, 1993. — 120с.