Неуправляемые выпрямители большой мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Неуправляемые выпрямители большой мощности

1. Однофазный неуправляемый мощный выпрямитель с нулевым выводом трансформатора

1.1 Общие положения

Потребителем постоянного тока включают дроссель с сопротивлением Хd, величина которого равна бесконечности относительно малых сопротивлений нагрузок. Нагрузкой служат либо электролитические ванны, либо двигатели постоянного тока. В результате будем считать, что ток идеально сглажен и не меняется при работе открытого вентиля.

Второй особенностью работы мощных выпрямителей является то, что трансформатор кроме основного магнитного потока, замыкающегося через магнитопровод, имеет значительный магнитный поток, замыкающийся через воздушный промежуток между катушками трансформатора. Этот магнитный поток наводит в обмотках трансформатора дополнительную э.д.с., которая сильно влияет на работу вентилей. Причем, эта реактивность складывается из реакции первичной и вторичной обмоток трансформатора. Обозначим ее символом Ха. Численное значение Ха может быть найдено из опыта холостого хода и короткого замыкания трансформатора, рассмотренного в курсе общей электротехники.

На практике берут величину дросселя Хd = 5 Rd (сопротивление нагрузки) и при этом можно считать, что Хd . В результате ток идеально сглажен. выпрямитель трансформатор коммутация вентель

1.2 Особенности схемы замещения однофазного мостового выпрямителя большой мощности

Схема выпрямителя большой мощности всегда снабжена индуктивным фильтром, который отражен в схеме замещения индуктивностью сопротивлением Xd. Основной магнитный поток, замыкающийся через магнитопровод, создает во вторичных обмотках трансформатора два одинаковых по величине, но противофазных напряжения U1 и U2. Нагрузка обозначена в схеме замещения символом R_H. С этими элементами схемы мы познакомились в разделе, посвященном разновидностям фильтров в выпрямителях.

В мощных выпрямителях начинает влиять на вентили магнитный поток, который замывается через воздушное пространство. Он так же наводит во вторичных обмотках трансформатора ЭДС. При малых токах трансформатора эти ЭДС настолько малы, что ее влияние на вентиль никак не сказывается. При больших токах, протекающих через обмотки трансформатора, эта ЭДС, будучи приложенной к вентилю, тоже управляет состоянием вентиля. Влияние магнитного потока рассеяния учитывают в схеме замещения выпрямителя, добавляя в нее индуктивность рассеяния, сопротивление которой на схеме обозначено символом X_S.

Пусть в схеме открыт вентиль VD1. Это возможно в интервале от 0 до , который для удобства дальнейшего объяснения на схеме обозначен интервалом 0…2. Запишем для контура схемы замещения выпрямителя уравнение Кирхгофа

.

В начальный момент, когда вентиль начинает открываться, ЭДС, наводимые в реактивностях, будут препятствовать нарастанию тока в вентилях (нагрузке) и уравнение примет такой вид

.

В конечный момент, когда вентиль начинает закрываться, наводимые в реактивностях ЭДС будут препятствовать убыванию тока вентиля

.

Интересен интервал 2…3, когда вентили меняют свое состояние. ЭДС фильтра влияет на вентили одинаковым образом потому, что она одновременно прикладывается к анодам вентилей. ЭДС индуктивностей рассеяния приложены к каждому диоду раздельно. Следовательно, в закрывающемся вентиле напряжение будет увеличенным , а в открывающемся вентиле оно будет уменьшенным. Таким образом, процесс работы закрывающегося вентиля VD1 увеличивается на некоторый угол , а процесс открытия вентиля VD2 затягивается по фазе на величину. Значит, время пребывания вентиля в открытом состоянии становится равным . Возникает ситуация, когда вентили, в течение фазы как в начальный момент коммутации, так и в конечный момент коммутации оба открыттты. В результате возникает короткое замыкание обмоток трансформатора через открытые диоды. Этот режим работы называют коммутационным.

После переходного режима ток достигает величины Id и не меняется при работе только одного вентиля. На рис. 9.2. ток вентилей напоминает неравнобочную трапецию. Рассмотрим все этапы работы выпрямителя.

1.3 Первый этап коммутации тока вентилей

В интервале 0…1 диод VD1 открывается, а диод VD2 закрывается. Если два диода открыты, то трансформатор работает в режиме короткого замыкания. Для контура короткого замыкания можно записать уравнение электрического состояния, используя мгновенные значения токов и напряжений:

Ограничивает этот ток чисто индуктивное сопротивление, и тогда ток отстает от напряжения на 90 и изменяется по косинусоидальному закону

В начале коммутации ток вентиля равен свободной составляющей

Ток вентиля, вступающего в работу равен сумме переходного тока и его свободной составляющей

В конце коммутационного этапа ток вентиля достигает величины

1.4 Внекоммутационный период работы вентиля

Псоле окончания переходного процесса наступает внекоммутационнный ежим работы выпрячмителя, при котром работает только один венотиль, в данном случае VD1. Величину индуктивности дросселя берут достаточно большой. При этом напряжение (ток) становится идеально с глаженным и равным постоянной состовляющей напряжения (тока), обозначенной на схеме рис. 9.2 символом Id.

1.5 Второй этап коммутации тока вентилей

В интервале 2…3 диод VD1 закрывается, а диод VD1 открывается. Возникает ток короткого замыкания в контуре U2 - X_S - VD2 - VD1 - X_S - U2. Диод VD1 закрывается встречным током, который также определяется удвоенным напряжением вторичной обмотки трансформатора:

Ток коммутации тоже равен

.

Закон изменения свободной составляющей тока переходного процесса также изменяется по косинусоидальному закону, но начальное значение тока равно Id, тогда

Во второй коммутации ток вентиля изменяется по закону

В обоих случаях выпрямленный ток определяется формулой

Среднее выпрямленное напряжение в режиме холостого хода

В режиме холостого хода ток нагрузки равен нулю, потому коммутационных периодов в выпрямителе нет. Среднее выпрямленное напряжение находим так

Потери напряжения в результате коммутационных процессов

Среднее значение напряжения потерь за период найдем путем суммирования и усреднения потерь за половину периода

,

откуда потери в цепи открывающегося вентиля равны

Сравнивая выражения (9.5) и (9,7) окончательно получим

Внешняя характеристика выпрямителя

Внешняя характеристика получается с учетом полученных нами выражений (9.6) и (9.8):

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

Для определения действующего значения тока первичной обмотки трансформатора заменим ток вентиля прямоугольником, тогда

Ток первичной обмотки трансформатора равен

Параметры вентилей

Начальный скачок обратного напряжения на вентиле определим в момент открытия вентиля . В это время через ранее работающий вентиль в диоду открывющемуся приложено удвоенной напряжени со вторичной обмотки трансформатора

Средний ток вентиля равен

Максимальное обратное напряжение

Параметры трансформатора

Параметры трансформатора определяются на основе входных и выходных токов и напряжений трансформатора. Расчеты, выполненные нами, позволяют вычислить мощности первичной S1, вторичной S1 и типовой мощности S трансформатора

Мощность вторичной обмотки больше мощности первичной обмотки трансформатора по следующим причинам:

- ток первичной обмотки знакопеременный и в нем нет постоянной составляющей тока;

- ток вторичной обмотки содержит постоянную составляющую тока. Половина вторичной обмотки трансформатора проводит ток только в течение половины периода. Это указывает на большее число гармоник, чем в первичной обмотке. По этой причине суммарная мощность всех гармоник вместе с постоянной составляющей тока дает коэффициент запаса в расчетной мощности, равный 1,57.

2. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом

Внекоммутационныая работа полностью повторяет процессы, которые мы рассмотрели в разделе трехфазных выпрямителей малой мощности. В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, как и в однофазных выпрямителях, приводят к переходным процессам во время коммутации вентилей. Рассмотрим точку А, До времени вступления вентиля VD1 в открытое состояние, работал вентиль VD5. До коммутации ток протекал через нагрузку по контуру С- Х_S- VD5-R_H-Xd-C.

В момент открытия вентиля VD1 видим, что фаза А становится больше фазы С, следовательно, ток может протекать только против часовой стрелке в кототко замнутом контуре: А-X_S-VD1-VD5-X_S-С-А. В период коммутации в этом контуре создается ток под действием линейного напряжения Е_АС = e_А - e_С. Этот ток встречный току VD5, потому он способствует закрытию, ранее работавшего вентиля. Говорят, что вентиль закрывается встречным током. Это важно, так как мощные вентили в цепях постоянного тока не могут сами закрываться, даже, если это управляемые тиристоры. Тиристоры большой мощности током управления можно только открывать, а закрывать невозможно.

У каждого вентиля, так же, как в однофазном выпрямителе, два этапа коммутации. Во время коммутации ток вентиля изменяется по косинусоидальному закону, а его величина определяется линейным напряжением.

Приведем основные соотношения, характеризующие качество работы выпямителя.

Среднее выпрямленное напряжение

Средний выпрямленный ток

Внешняя характеристика выпрямителя

Скачек обратного напряжения на вентиле

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

где подкоренная функция равна:

Угол коммутации снижает ток на 5-10% относительно номинального значения тока выпрямителя без коммутации..

3. Трехфазнаянеуправляемая мостовая схема выпрямителя большой мощщности

3.1 Схема и особенности работы

В этом выпрямителе вентили работают в трех режимах: начальная коммутация, внекоммутационный режим и конечная коммутация. Во внекоммутационных режимах выпрямителдь работает как обычный выпрямитель малой мощности. Особенность лишь в том, что дроссель Xd идеально сглаживает пульсации тока, потому они в этот период работы не изменяются во времени и все равны величине Id.

Процесс коммутации по характеру процесса такой же, как в схеме с нулевым выводом трансформатора. Однако особенность в том, что коммутация вентилей происходит в нечетной и ичетной группе вентилей независимо друг от друга. Например, в точке А начинает открываться вентиль VD1, а до этого работал в нечетной группе вентиль VD5. Следовательно на этом этапе произойдет короткое замыкание обмоток трансформатора фазы А и фазы С. Напряжение фазы А в дальнейшем больше напряжения фазы СЮ потому ток короткого замыкания будет протекать по контуру A - Xs - VD1 - VD5- Xs - C - A. Ток будет определять линейным напряжением

.

Следовательно, величина тока короткого замыкания будет такой же, как в схеме с нулевым выводом трансформатора.

В точке «а» меняются в работе вентили VD6 и VD2. Ток короткого замыкания будет протекать по контуру В - Xs - VD6 - VD2- Xs - C - В, что способствует закрытию ранее работавшего диода VD6.

Таким образом за период происходит три коммутации в нечетной и три коммутации в четной группе вентиолей. Так же как и однофазном выпрямителе с ростом тока величина угла коммутации возрастает, что приводит к увеличению коммутационных потерь, и уменьшению напряжения на выходе выпрямителя.

3.2 Основные расчетные состношения

Ниже приводим обощенные параметры для многофазных выпрямителей [], в которых символом m обозначено число пульсаций за период в выпрямленном напряжении (токе). В формулах используется амплитуда фазного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения

В данной схеме m = 6 и выпрямленное напряжение равно

Скачек обратного напряжения на вентиле

Потери напряжение в результате коммутационных процессов

Для нашей схемы получим

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

где функция зависит от угла коммутации

Для удобства процесса расчета выпрямителя приводим таблицу с основными соотношениями его параметров.

3.3 Преимущества трехфазной мостовой схемы выпрямления

Основные достоинства схемы:

- малый коэффициент запаса мощности трансформатора;

- малый коэффициент пульсаций;

- не высокие требования к качеству изоляции обмоток трансформатора.

Размещено на Allbest.ru