Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Выпрямители.
Основным назначением выпрямителей является преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий выпрямленный) ток. В общем случае выпрямитель состоит из силового трансформатора, циклы вентилей ( диодов, тиристоров или транзисторов), сглаживающего фильтра и устройств управления и защиты. Неуправляемые выпрямители не имеют устройств управления и выполняются с использованием диодов. Регулирование напряжение на выходе выпрямителей осуществляется в управляемых выпрямителях либо переключая витки силового трансформатора, либо используя в выпрямители тиристоры или транзисторы.
В силовой электронике в основном используют выпрямители, работающие от трехфазной сети переменного тока частотой 50Гц. Выпрямленное напряжение не является идеальным. Оно имеет определенное число пульсаций за период питающего напряжения. Выпрямители трехфазного напряжения можно выполнить с различным числом пульсаций. Применяются трехпульсовые (q=3), шестипульсовые (q=6), двенадцатипульсовые (q=12) выпрямители. Могут и изменятся выпрямители и с большим числом пульсаций(q=18;24).
Различают нулевые и мостовые схемы выпрямителей. В нулевых схемах нагрузка включается между выведенной нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора и общей катодной или анодной точкой вентильной группы. Нулевые схемы иначе называют однополупериодными ( или однотактными), так как ток по вторичным обмоткам протекает в течении одного полупериода напряжения сети. В мостовых схемах нагрузка включается между общими точками анодной и катодной группы вентилей. Вторичная обмотка не имеет вывода нулевой точки, а вентили парами подсоединяются к выводам фаз вторичной обмотки: один- катодом, другой- анодом. Мостовые схемы называют двухполупериодными (двухтактными), так как ток в каждой фазу вторичной обмотки трансформатора протекает в течении каждого полупериода, т.е. обмотка нагружается в каждом периоде в обоих направлениях.
Нулевые схемы выпрямителей.
Схема нулевой трехпульсовой схемы приведена на рис. 2.1а. Схема состоит из трехфазного силового трансформатора, с выведенной нулевой точкой вторичной обмотки, тиристоров, аноды которых соединяются со вторичными обмотками, а катоды соединяются вместе. При таком включении напряжение на нагрузке положительно относительно нулевой точки, при инверсном включении диодов - отрицательно.
В рассматриваемой схеме в каждый момент времени ток нагрузки протекает через один диод, потенциал анода которого максимален относительно нулевой точки (рис.2.1б). Каждый диод на интервале одного периода проводит ток электрических градусов. Напряжение на нагрузке практически равно напряжению фазы А (на интервале 1-2), фазы В (на интервале 2-3) и фазы С (на интервале 3-4), т.е. является по фазе огибающий трехфазную систему напряжений.
Среднее значение выпрямленного напряжения равно:
где -действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки.
Средний ток диода:
Обратное напряжение диода определяется линейным напряжением:
Действующее значение тока вторичных обмоток:
а ток первичных обмоток ( с учетом того, что постоянная составляющая тока вторичных обмоток не трансформируется в первичную):
Типовая мощность трансформатора:
Основная гармоника переменной составляющей напряжения на нагрузке имеет частоту Гц, амплитуда основной гармоники равна , т.е.
Постоянные составляющие токов вторичных обмоток в каждом из стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Для насыщения магнитопровода необходимо увеличивать разметы трансформатора.
Нулевая шестипульсовая схема содержит трансформатор, вторичны обмотки которого образуют две трехфазные системы, сдвинутые по фазе на (рис.2.2а). Вторичные обмотки соединены в звезду, в результате две системы образую симметричную шестифазную систему переменного тока (рис.2.2б). К выводам вторичных обмоток присоединяются диоды, объединенная катодная группа образуют положительный полюс выпрямителя, а объединенная нулевая точка вторичных обмоток – отрицательный полюс.
Возможны две модификации нулевой шестипульсовой схемы: без уравнительного реактора, когда нулевая точка вторичных обмоток соединяются непосредственно; с уравнительным реактором, когда нулевая точка соединяется через однофазный реактор с выведенной средней точкой(рис.2.3а).
При отсутствии уравнительного реактора ток нагрузки проходит через тот диод, потенциал анода которого максимален. Кривая выпрямленного напряжения формируется вершинами фазных напряжений вторичных обмоток и имеет шесть пульсаций за один период напряжения сети. Через диоды и вторичные обмотки проходит ток нагрузки в течении интервала эл.град. В каждый момент времени ток протекает только в одной фазной обмотке одной звезды, а в первичной обмотке ток замыкается по двум фазным обмоткам. В результате на стержнях магнитопровода трансформатора нет больше подмагничивающих сил. Поток вынужденного намагничивания изменяется с тройной частотой, вызывая дополнительные потери от вихревых токов. Вследствие этого нулевая шестипульсовая схема без уравнительного реактора не используется.
В схеме с уравнительным реактором обеспечивается одновременная работа обеих звезд в результате выравнивания потенциалов на анодах двух диодов: по одному в каждой звезде. Выравнивание потенциалов достигается тем, что в контуре, образованном двумя обмотками разных звезд и уравнительным реактором, возникает ток, совпадающий по направлению с током выходящего их работы диода и противоположный для вступающего в работу диода (рис.2.3б). Напряжение на выводах реактора относительно средней точки равны по величине и противоположны по фазе и в результате суммирования с соответствующими фазными напряжениями выравнивают потенциалы анодов двух диодов в разных звездах и они проводят ток одновременно. Диоды проводят ток на интервале эл.град., и имеют амплитуду . Одновременно ток проводят вторичные обмотки обеих звезд ( это устранят дисбаланс намагничивающих сил и поток вынужденного намагничивания). Напряжение на реакторе имеет треугольную форму и изменяется с утроенной частотой сети. Ток в контуре реактора отстает на эл.град. и имеет практически синусоидальную форму. Это ток составляет 1-2% от наминальго тока нагрузки, вследствие этого токи в фазах трансформатора имеют форму, немного отличающуюся от прямоугольной.
При малых токах нагрузки схема с уравнительным реактором переходит в режим работы без уравнительного реактора. Поэтому напряжение холостого хода выпрямителя такое же, как и для схемы без уравнительного реактора:
;
А при токах больше (0,020,03):
;
Средний ток диода:
;
Обратное напряжение диода:
;
Действующее значение тока вторичных обмоток:
;
Действующее значение тока первичной обмотки:
;
Типовая мощность трансформатора:
Частота пульсаций основной гармоники напряжения на нагрузке равна Гц, амплитуда основной гармоники равна , т.е. %.
Мостовые схемы выпрямителей.
Мостовая шестипульсовая схема (рис.2.4) состоит из силового трехфазного трансформатора, вторичные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и двух групп диодов по три в каждой: анодной и катодной. Диоды анодной и катодной групп образуют трехфазный мост.
В мостовой шестипульсовой схеме выпрямителя ток нагрузки проводят одновременно два диода, образующие цепь, подключенную к линейному напряжению, имеющему на данном интервале времени максимальное положительное значение. На интервале 1-2 ток проводят диоды VD1 и VD6, на интервале 2-3-VD1 и VD2 и т.д. В результате на нагрузке формируется выпрямленное напряжение , мгновенное значение которого равны на соответствующих линейным напряжением. Ток диода имеет форму, близкую к прямоугольной со средней высотой и длительностью эл.град. Токи в обмотках трансформатора имеют прямоугольную форму, симметричную в положительный и отрицательный полупериоды.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
;
Ток диода:
;
Максимальное обратное напряжение:
;
Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток:
;
Типовая мощность трансформатора:
Частота пульсаций основной гармоники напряжения на нагрузке равна Гц, амплитуда основной гармоники равна .
В схеме эффективно диоды и трансформатор, в сердечнике отсутствует вынужденное подмагничивание.
При соединении вторичной обмотки в треугольник (рис.2.5а) линейные токи сохраняют свою форму, а токи в форму, а токи в фазных обмотках формируются на каждом интервале в результате распределения тока по двум параллельным ветвям (рис.2.5б). Порядок работы диодов и форма напряжения на нагрузке такие же, как и при соединении звездой. В результате распределения токов по фазным обмоткам токи вторичной и первичной обмоток трансформатора имеют ступенчатую форму. Действующее значение тока фазы при этом равно:
Остальные параметры схемы такие же, как и для схемы рис.2.4, за исключением того, что линейные и фазные напряжения в этом случае равны.
Двенадцатипульсовые схемы выпрямителей используются для получения меньших пульсаций выпрямленного напряжения, снижения высших гармонических составляющих в кривой сетевого тока, повышения напряжения и тока нагрузки. Двенадцатипульсовые эквивалентные схемы строятся на основе двух шестипульсовых схем выпрямителя.
Собственные двенадцатипульсовые схемы стоятся на основе силового трансформатора с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединяется звездой, а вторая – треугольником. К каждой обмотке подсоединяется мостовая выпрямительная схема. Выпрямительные мосты могут соединяться последовательно или параллельно. Схема параллельного соединения требует очень точного соблюдения равенства сопротивлений обоих вторичных обмоток. Поэтому применение нашла схема последовательного типа(рис.2.6а).
Соединение одной вторичной обмотки в звезду и другой обмотки в треугольник обуславливает сдвиг по фазе коммутирующих напряжений двух вторичных обмоток на эл.град.(рис.2.6). Линейное напряжение вторичной обмотки (звезда) определяет выпрямленное напряжение . Фазное напряжение обмотки, соединенной треугольником, формирует напряжение . Разные напряжения вторичных обмоток принимаются такими, чтобы среднее значение выпрямленных напряжений обоих мостов и были равными. Для этого необходимо соблюдать соотношение , где ,-действующее значение фазных напряжений на холостом ходу. Результирующее выпрямленное напряжение представляет собой сумму мгновенных значений напряжений на выходе обеих схем (=+). Это напряжение имеет двенадцать пульсаций в течении периода.
Мостовые выпрямители в этой схеме работают самостоятельно. На каждом интервале ток нагрузки проводят четыре диода: по два в каждом мосту. Последовательность переключения диодов в каждой схеме сохраняется такой же, как и в обычной мостовой шестипульсовой схеме с соответствующей группой вторичных обмоток. Формы токов в фазах вторичных обмоток, соединенных в звезду и треугольник получаются различными. Ток первичной обмотки обусловлен токами обеих вторичных обмоток. В результате форма тока ступенчатую форму незначительно отличающуюся от синусоидальной (рис.2.6в). Улучшение формы тока способствует повышению коэффициента мощности, снижению потерь от высших гармонических составляющих в питающей сети и первичной обмотки силового трансформатора.
Основные расчетные соотношения для каждого выпрямительного моста остаются такими же, как и для шестипульсовых схем включения.
Общее расчетные соотношения имеют следующие значения.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
;
При выполнении условия :
;
Среднее значение тока диода:
;
Максимальное обратно напряжение диода:
;
Действующее значение токов вторичных обмоток трансформатора:
-для звезды: ;
-для треугольника: ;
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:
;
Типовая мощность трансформатора:
Повышение коэффициента использования трансформатора связано с лучшим использованием первичной обмотки вследствие боле благоприятной фазы тока.
Коммутация в выпрямителях.
Процесс перехода тока от одной ветви схемы к другой, в результате чего меняется контур электрического тока, называется коммутацией. Если не учитывать влияние индуктивности рассеивания, переключение тока происходит мгновенно. Наличие индуктивности рассеивания задерживает включение диода, выходящего из цепи тока, и обуславливает появление интервала коммутации, который называется углом коммутации (рис.2.7). На интервале коммутации одновременно проводят ток диоды, аноды или катоды которых объединены в общую точку, а другие выводы связаны с разными фазами трансформатора. Коммутация сопровождается внутренним междуфазным коротким замыканием. Возникающий ток короткого замыкания вычитается из тока диода, выходящего из работы, и прибавляется к току диода, вступающего в работу.
Угол коммутации для шестипульсовой схемы определяется по формуле:
;
Процесс влияет на формы кривых выпрямленного напряжения и тока. На интервале коммутации потенциал точки «+» определяется полусуммой напряжений фаз, участвующих в коммутации: . На интервале угла коммутации происходит уменьшение выпрямленного напряжения на величину (для мостовых схем):
Коммутации выпрямителя обуславливает формирование нагрузочной характеристики с наклоном, пропорциональным току нагрузки и индуктивности рассеивания .