4. Неуправляемые трехфазные выпрямители

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный. Силовая часть выпрямителя в общем случае включает в себя следующие блоки (рис. 2): 1 – преобразовательный трансформатор, служащий для согласования входного и выходного напряжения; 2 – блок полупроводниковых вентилей, осуществляющий функцию выпрямления тока; 3 – сглаживающий фильтр; 4 – нагрузка; 5 – блок системы управления в случае регулируемого (управляемого) выпрямителя; 6 – блок сигнализации и защиты.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и вентили. Схема соединения обмоток трансформатора и порядок подключения к ним называется схемой выпрямления, которая определяет качественные показатели работы выпрямителя: форму кривой выпрямленного напряжения, потребляемого сетевого тока, степень использования обмоток трансформатора, условия работы вентилей и т. д.

Рис. 2. Блок-схема выпрямителя

Схемы выпрямления различаются как по числу фаз вторичной обмотки трансформатора, так и по способу подключения вентилей. По способу подключения вентилей все схемы выпрямления подразделяются на однотактные, или нулевые, использующие нулевые точки вторичных обмоток трансформаторов в качестве одного из полюсов выходного напряжения, и на двухтактные, или мостовые. На базе мостовых схем создаются сложные выпрямители с высокими технико-экономическими показателями.

При выполнении лабораторных работ студенты должны изучить электромагнитные процессы в простых и сложных схемах выпрямления.

Анализ электромагнитных процессов в схемах выпрямителей позволяет установить соотношения между параметрами элементов для расчета и выяснения условий работы трансформаторов и вентилей, сравнить их для различных схем, выбрать оптимальную схему.

Исходными при анализе являются следующие параметры выпрямителей: U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме х.х.; I_d – среднее значение выпрямленного тока; m – число пульсаций кривой выпрямленного напряжения за период питающего; P_d0 = U_d0I_d – условная мощность выпрямленного тока.

При анализе схем важную роль играет соотношение индуктивного X_d и активного R_d сопротивлений нагрузки.

Лабораторные работы 1, 2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ НУЛЕВЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: изучить электромагнитные процессы в простых нулевых схемах выпрямления; определить соотношения между током и напряжением на элементах схем; исследовать режимы работы трансформаторов и вентилей; выявить достоинства и недостатки схем.

Принципиальная нулевая m-пульсовая схема выпрямления приведена на рис. 3. В такой схеме вентильные обмотки трансформатора соединяются в «звезду» или «зигзаг» с доступной нулевой точкой О, образующей отрицательный полюс системы выпрямленного напряжения. Число обмоток может быть кратным числу фаз первичной обмотки. К каждому фазовому выводу вторичной обмотки подключен вентиль. Точка объединения катодов вентилей К образует положительный полюс системы выпрямленного напряжения.

Фазовые напряжения вторичной обмотки образуют симметричную систему векторов с углом между ними δ, равным 2π/m.

В нулевых схемах в каждый момент времени открыт тот вентиль, потенциал анода которого максимален. Так как вентили схемы работают поочередно, то кривая выпрямленного напряжения u_d огибает максимальные вторичные фазные напряжения, а число пульсаций ее равно числу фаз вторичной обмотки: m = m₂. Продолжительность одной пульсации и проводящего состояния вентилей составляет 2π/m.

Рис. 3. Принципиальная m-пульсовая нулевая схема выпрямления

Для рассматриваемых схем среднее значение выпрямленного напряжения при х.х. определяется по формуле:

(1)

В реальных схемах индуктивное сопротивление в цепи выпрямленного тока Х_d = ∞ (этот режим обусловлен индуктивным сопротивлением тяговых двигателей, рельсовых цепей, контактной сети и сглаживающих реакторов). В этом случае кривые токов вентилей и тока нагрузки абсолютно сглажены, поэтому

(2)

Значение I_V.ср определяет тип и число параллельно соединенных в плече вентилей. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно линейному напряжению вентильных обмоток трансформатора:

(3)

Это напряжение определяет класс и число вентилей, соединенных в схеме последовательно.

Режим работы трансформатора выпрямителя определяется напряжением обмоток (U₁ и U₂) и током в них (I₁ и I₂). Продолжительность работы вентильной обмотки трансформатора определяется числом фаз, а ток в ней протекает в одном направлении:

(4)

Ток первичной обмотки

(5)

где k_Т – коэффициент трансформации трансформатора,

(6)

b – коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы.

Степень использования материалов трансформатора и его габариты определяются типовой (расчетной) мощностью:

(7)

Основным недостатком простых нулевых схем является значительная типовая мощность, т. е. плохое использование трансформатора.

Простые трехфазные нулевые схемы выпрямления с числом пульсаций m = 3 и m = 6 приведены на рис. 4, а и 5, а соответственно. Временные диаграммы электромагнитных процессов в них (рис. 4, б-ж и 5, б-ж) построены при мгновенной коммутации тока вентилями, т. е. принято, что индуктивное сопротивление вентильной обмотки Х_в = 0.

Реальный нагрузочный режим работы выпрямителя от рассмотренного выше отличается тем, что коммутация мгновенно происходить не может (рис. 4, з-и).

Продолжительность процесса коммутации зависит от параметров выпрямителя и характеризуется углом коммутации, определяемым по выражению:

(8)

Явление коммутации приводит к снижению среднего значения выпрямленного напряжения и к искажению его формы. Это объясняется тем, что выпрямленное напряжение в период коммутации равно полусумме напряжений коммутирующих фаз.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки называется внешней характеристикой преобразователя.

Уравнение внешней характеристики имеет вид:

(9)

где А – коэффициент наклона внешней характеристики;

u_k – напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора, %.

Коммутация тока повлияет и на ухудшение условий работы вентилей, так как в момент окончания коммутации в кривой обратного напряжения на вентиле появляется скачок. Форма кривой потребляемого тока i₁ улучшается, но из-за появления сдвига относительно кривой напряжения u₁ уменьшается коэффициент мощности выпрямителя и снижаются его энергетические показатели.

Для исследования предложены две простые нулевые схемы выпрямления: трехпульсовая (лаборат. раб. 2, рис. 4, а) и шестипульсовая (лаборат. раб. 3, рис. 5, а).

Рис. 4. Трехпульсовая нулевая схема выпрямления и временные

диаграммы электромагнитных процессов в ней

Рис. 5. Шестипульсовая простая нулевая схема выпрямления и временные

диаграммы электромагнитных процессов в ней

Лабораторные работы 3, 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНЫХ НУЛЕВЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: ознакомиться со способами создания сложных нулевых схем, улучшающими технико-экономические показатели выпрямителей; изучить электромагнитные процессы в схемах; оценить изменившиеся условия работы вентилей и трансформаторов; определить соотношения между током и напряжением; выявить достоинства и недостатки схем.

С целью улучшения качества электроэнергии, потребляемой из сети и отдаваемой потребителю, а также повышения технико-экономических показателей в преобразовательной технике создаются сложные схемы. Сложные нулевые схемы состоят из двух секций, каждая из которых является простой нулевой схемой. Эти секции могут соединяться либо последовательно, либо параллельно. При использовании в качестве секций трехпульсовых схем на выходе сложной схемы в кривой выпрямленного напряжения будет шесть пульсаций.

При последовательном соединении секций результирующее напряжение равно сумме значений напряжения секций, при этом выпрямленный ток протекает последовательно через обе секции. При параллельном соединении секций ток нагрузки равен сумме значений тока секций, а выпрямленное напряжение – полусумме значений напряжения секций. Для обеспечения одновременной (а не поочередной) работы вентилей разных секций сложные параллельные схемы требуют установки уравнительного реактора (УР).

Для исследования предложены сложные нулевые схемы последовательного (лаборат. раб. 3, рис. 6, а) и параллельного типа (лаборат. раб. 4, рис. 7, а). Первую из этих схем использовали для получения высокого значения выпрямленного напряжения. Вторая схема – шестипульсовая нулевая параллельного типа – до сих пор достаточно широко (52 %) используется на тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока. Особенность этой схемы – пик напряжения х.х., который возникает при малых значениях тока нагрузки (меньших 0,01I_dн). При таких токах УР не намагничен и схема переходит в режим простой нулевой шестипульсовой, в которой кривая u_d огибает вторичные фазные напряжения и U_d0 = 1.35U₂, что обусловливает появление пика х.х. во внешней характеристике.

Рис. 6. Шестипульсовая сложная нулевая схема выпрямления

последовательного типа (схема Вологдина) и временные диаграммы

электромагнитных процессов в ней

Рис. 7. Шестипульсовая сложная нулевая схема выпрямления параллельного

типа (схема Кюблера) и временные диаграммы электромагнитных

процессов в ней

Электромагнитные процессы в сложных нулевых схемах последовательного и параллельного типа приведены соответственно на рис. 6, б-и и 7, б-з.

Особое внимание при исследовании сложной нулевой схемы параллельного типа следует обратить на условия работы УР, влияние его на процессы в схеме и внешнюю характеристику выпрямителя.

Лабораторные работы 5, 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕСТИПУЛЬСОВЫХ МОСТОВЫХ СХЕМ

ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: исследовать условия работы трансформаторов и вентильных плеч в двухтактных мостовых схемах; на основе характеристик и параметров оценить достоинства схем.

Характерной особенностью мостовых схем выпрямления является одновременная работа двух вентилей, попадающих под максимальное линейное напряжение. В отличие от нулевых схем, которые выпрямляют фазное напряжение, мостовые схемы выпрямляют линейное. В результате этого в кривой выпрямленного напряжения число пульсаций вдвое больше числа фаз вентильных обмоток, т. е. при числе фаз вентильной обмотки m₂ = 3 число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения m = 6.

Шестипульсовые мостовые схемы выпрямления разомкнутого и замкнутого типа, а также электромагнитные процессы в них приведены на рис. 8 и 9 соответственно.

Условия работы вентилей в мостовых схемах отличаются от условий в нулевых. Особенно важно, что трансформатор в мостовых схемах работает в двухтактном режиме. Это обусловливает хорошее использование обмоток трансформатора, типовая мощность которого значительно меньше, чем у простых нулевых схем.

Коммутация тока в мостовых схемах происходит между вентилями одной группы (катодной или анодной), а влияние ее на показатели выпрямителя аналогично указанному выше для нулевых схем.

Рис. 8. Шестипульсовая мостовая схема выпрямления разомкнутого типа (схема Ларионова) и временные диаграммы электромагнитных процессов в ней

Рис. 9. Шестипульсовая мостовая схема выпрямления замкнутого типа и

временные диаграммы электромагнитных процессов в ней

Достаточно простые схемы соединения обмоток трансформатора, рациональное использование электротехнических материалов и высокая надежность определяют технико-экономическое преимущество мостовых схем выпрямления и инвертирования перед нулевыми. Мостовые схемы широко применяются для питания мощных высоковольтных потребителей. На тяговых подстанциях электрических железных дорог постоянного тока 18 % выпрямителей включены в настоящее время по шестипульсовым мостовым схемам выпрямления.

Программа экспериментального исследования предусматривает изучение шестипульсовых мостовых схем разомкнутого (лаборат. раб. 5, рис. 8, а) и замкнутого (лаборат. раб. 6, рис. 9, а) типа.

Лабораторные работы 7, 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВЕНАДЦАТИПУЛЬСОВЫХ МОСТОВЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ

Цель работы: изучить способы улучшения качества электрической энергии в системах с преобразователями; исследовать характеристики и параметры сложных двухмостовых схем выпрямления и выявить их достоинства по сравнению с шестипульсовыми.

Улучшения качества выпрямленного напряжения и потребляемого из питающей сети тока, а соответственно и повышения технико-экономической эффективности выпрямителей можно достичь при использовании двенадцатипульсовых схем.

Это сложные схемы, являющиеся результатом либо последовательного (рис. 10, а), либо параллельного (рис. 11, а) соединения двух секций, каждая из которых представляет собой простую шестипульсовую мостовую схему выпрямления. Различие между секциями состоит с том, что у одной из них вентильная обмотка трансформатора соединена по схеме «звезда», а у другой – по схеме «треугольник». В результате этого кривые выпрямленных напряжений секций сдвинуты одна относительно другой на угол 30^о, а результирующее напряжение на выходе выпрямителя имеет двенадцатипульсовую форму.

Для исследования предлагаются двенадцатипульсовые схемы последовательного (лаборат. раб. 7, рис. 10, а) и параллельного (лаборат. раб. 8, рис. 11, а) типа. Электромагнитные процессы в сложных двенадцатипульсовых мостовых схемах выпрямления последовательного и параллельного типа приведены соответственно на рис. 10, б-ж и 11, б-е.

Рис. 10. Двенадцатипульсовая схема выпрямления последовательного типа и временные диаграммы электромагнитных процессов в ней

Рис. 11. Двенадцатипульсовая схема выпрямления параллельного типа и

временные диаграммы электромагнитных процессов в ней

Двенадцатипульсовые мостовые схемы выпрямления (в настоящее время такие схемы имеют 30 % выпрямителей, эксплуатируемых на тяговых подстанциях) обладают высокими технико-экономическими показателями и хорошим качеством потребляемой из сети и отдаваемой потребителю электроэнергии. При исследовании схем следует убедиться в этом путем сравнения осциллограмм токов и напряжения в различных схемах выпрямления.