Выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой

Индуктивный характер нагрузки на выпрямитель (рис. 4.4, а) имеет место при питании выпрямленным током обмоток электрических машин и электромагнитов или при использовании дросселей в качестве первого элемента фильтра.
В этих случаях, как правило, выполняется условие p×m₂×w×L₀ >> R₀, где L₀ и
R₀ – индуктивность дросселя и сопротивление нагрузки выпрямителя. Наличие в цепи постоянного тока индуктивности L₀ существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Если мгновенное значение напряжения  на входе фильтра представляет собой отрезок косинусоиды (рис.  4.4,  б):

при m₂ ³ 2 и – ,              (4.15)

то ток i₀ и напряжение u₀ = i₀^.R₀ на нагрузке не повторяют форму фазных ЭДС е₂ (рис. 4.4, с). Объясняется это тем, что в цепи помимо ЭДС е₂ действует ЭДС  индуктивности L₀.

Следует заметить, что среднее значение ЭДС е_L индуктивности L₀ за пе­риод равно нулю, поэтому средние значения напряжений на входе фильт­ра и в нагрузке практически одинаковы (m₂p ³ 2) и могут быть найдены по формуле (4.3).

 

Коэффициент пульсаций на нагрузке R₀ при m₂p ³ 2

.                 (4.16)

При инженерных расчётах можно считать, что формы импульсов прямого тока i_пр.v вентиля и тока i₂ вентильной обмотки трансформатора имеют вид прямоугольников с максимальным значением, равным I₀, и основанием 2p/m₂. Тогда, учитывая (4.8), (4.12) и (4.13), получаем

                        ; . (4.17)

Нетрудно убедиться, что значения I₂ и S₂ при индуктивной нагрузке меньше, чем в случае резистивной нагрузки выпрямителя. Следовательно, в выпрямителе с индуктивной нагрузкой улучшается использование вентилей по току,
а трансформатора – по вольт-амперной мощности.

                                      а                                                   б

с

Рис. 4.4. Осциллограммы напряжений (б),напряжений и токов (с) в однотактном
трехфазном выпрямителе (а)при активно-индуктивной нагрузке

Эффект коммутации в выпрямителях

Если в выпрямителях малой мощности процесс коммутации тока вентиля близок к идеальному, то в выпрямителях средней и большой мощности
(P₀  ≥ 2 кВт) характер коммутации определяется индуктивностью рассеяния преобразовательного трансформатора (см. рис. 4.5, а). Изменение тока в фазах выпрямителя происходит постепенно, в течение промежутка времени, определяемого углом γ, который называют углом коммутации.

Выпрямители средней и большой мощности обычно работают на фильтр
с индуктивной реакцией. При большом значении величины L₀ в интервале коммутации i₀ = i_2a+ i_2b = I₀ = const. Следовательно, di_2a= –di_2b.  Для интервала коммутации по второму закону Кирхгофа составляем баланс напряжений:

         (4.18)

Решение этих уравнений даёт следующие результаты:

– мгновенное значение напряжения на входе фильтра в интервале коммутации

                                (4.19)

а по окончании коммутации u_0,γ совпадает с кривой фазной ЭДС e₂ (рис. 4.5, б);

– ток фазы, прекращающей работу в интервале коммутации:

                 (4.20)

а по окончании коммутации i_2a = 0;

– ток фазы, вступающей в работу в интервале коммутации:

                      (4.21)

а по окончании коммутации i_2в = I₀ (рис. 4.5, б);

– угол коммутации γ зависит от амплитудного Е_2м.лин значения линейного напряжения, величины L_S, тока I₀ и частоты ω = 2πf питающей сети:

                                            ;                      (4.22)

– среднее значение выпрямленного напряжения

                    (4.23)  

                                       

при m₂  ≥ 2 и p = 1.

С учётом активного сопротивления потерь R_П и числа тактов выпрямления р при m₂  ≥ 1

.                        (4.24)

Величина U₀ находится по формуле (4.3) и может рассматриваться как значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода (U₀ = U_0х.х). Величина  играет роль внутреннего сопротивления выпрямителя. Поэтому уравнение внешней характеристики выпрямителя U₀(I₀) на основании выражения (4.24) будет иметь вид

    ,            (4.25)

где R_L – омическое сопротивление индуктивного фильтра. Изменение величины L_S приводит к изменению наклона внешней характеристики выпрямителя.

Увеличение угла γ коммутации приводит к возрастанию коэффициента пульсаций на входе фильтра и к отставанию по фазе токов i_2a, i_2b, i_2c от соответствующей фазной ЭДС е₂. В результате снижается коэффициент мощности выпрямителя . Уменьшается также действующее значение тока вентильной обмотки.

Следует помнить, что наличие L_S в фазах выпрямления приводит к возникновению импульсных повторяющихся перенапряжений (так называемых «иголок» – рис. 4.5, г), которые могут пробить вентили. Для устранения этих явлений параллельно вентилю VD следует включать демпфирующую RC-це­почку.

 

а

Рис. 4.5. Влияние эффекта коммутации на токи и напряжения в выпрямителе: а – эквивалентная схема; б и в – диаграммы токов и напряжений; г – демпфирующая цепочка

Vи

1

Vи

2

Vи

3

L

o

R

o

02

u

’

0

u

0

e

L

i

0

=3

~

~

~

)

e

e

(

5

,

0

в

2

a

2

+

a

2

e

c

2

e

в

2

e

p

2

t

w

t

w

t

w

t

w

t

w

t

w

t

w

m

2

E

0

0

0

0

0

0

0

VD

R

C

3

2

p

0

0

I

i

=

a

2

i

в

2

i

c

2

i

a

2

i

в

2

i

c

2

i

0

I

0

I

0

I

0

I

u

'

,

0

u

g

p

2

g

+

p

3

2

u

g

+

p

3

2

м

к

с

,

t

в

'

,

0

u

g

a

2

e

p

2

1

v

.

о

б

р

u

а

a

2

i

в

2

i

с

2

i

m2×p

б

г

 

Управляемые выпрямители

В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу регулирования напряжением на нагрузке выпрямителя при помощи управляемых вентилей (УВ) – тиристоров. Структурная схема УВ (рис. 4.6, а) отличается от структурной схемы неуправляемого выпрямителя тем, что блок неуправляемых вентилей заменен на регулируемый вентильный блок РВБ и введена система управления (СУ), синхронизируемая напряжением сети.

Регулирование выпрямленного напряжения U_0,a при помощи тиристоров основано на сдвиге момента включения управляемого вентиля по сравнению
с началом работы неуправляемого вентиля (рис. 4.6, в). Соответствующий этому сдвигу угол называют углом включения a. Очевидно, что a можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения u₁, т. е. 0 ≤ α ≤ p. При этом если тиристор включается при a = 180°, то напряжение U_0,a = 0. Такой способ регулирования называется фазоимпульсным.

Способность УВ изменять выпрямленное напряжение оценивают по его регулировочной характеристике, представляющей собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U_0,α от угла включения.

а

в

б

Рис. 4.6. Структурная схема выпрямителя (а), схема простейшего УВ (б)
и графики напряжений на его входе и выходе (в) при резисторной нагрузке
без фильтра; U_уи – управляющие импульсы для тиристоров РВБ

 

Для общности результатов регулировочную характеристику U_0,α = f(α) часто представляют в нормированном виде:

                                                                 ,                        (4.26)

где  – напряжение при угле включения, равном нулю
(m₂ ³ 2).

г

в

Вид регулировочной характеристики зависит от ряда факторов: схемы выпрямителя, типа фильтра, характера загрузки и т. д. УВ строятся по тем же принципам, что неуправляемые выпрямители. В двухтактных УВ все вентили могут быть управляемыми (симметричная схема, рис. 4.7, в, д). С целью упрощения СУ и удешевления УВ можно применить несимметричные схемы
(рис. 4.7, г), в которых одна группа вентилей (анодная или катодная) заменена на диоды. В УВ с индуктивной нагрузкой для улучшения энергетических характеристик вводится нулевой (ответвляющий) диод VD₀ (рис. 4.7, б, д).

а

б

Рис. 4.7. Схемы УВ: однофазная со средней точкой (а) и ответвляющим диодом (б); однофазная двухтактная (мостовая) симметричная (в), несимметричная (г); трехфазная двухтактная мостовая (д)

A B C N

д

При построении управляемых выпрямителей однофазного и трехфазного тока преимущественное применение получили соответственно однофазная
(рис. 4.7, в) и трехфазная (рис. 4.7, д) мостовые схемы. Трёхфазная двухтактная (мостовая) схема выпрямления (неуправляемая или управляемая) может быть представлена последовательным соединением двух однотактных схем, питаемых от одной группы вентильных обмоток трансформатора (рис. 4.8, а). Как и
в однотактном УВ, возможны режимы непрерывного и прерывистого тока
(рис. 4.8, б, в), причём критический угол включения

                                                                    (4.27)

 Уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для схемы (рис. 4.8, а)

 при 0 £a £ a_кр. и  при a > a_кр.   (4.28)

Частота пульсаций f_п(1) основной гармоники выпрямленного напряжения, как и в неуправляемом выпрямителе, равна m₂pf₁ = 6f₁ (рис. 4.8, в). Зависимость (рис. 4.8, г) коэффициента пульсаций К_п(1) от угла регулирования α свидетельствует о быстром росте К_п(1) с увеличением a. Для однофазной двухтактной схемы УВ уравнение регулировочной характеристики

 при α_кр = 0.                   (4.29)

При индуктивной реакции нагрузки (pm₂wL₀ >> R₀) регулировочная характеристика в нормированной форме для симметричных двухтактных выпрямителей описывается уравнением .

Для УВ средней и большой мощности характерен режим, когда потребляемый ими ток i₁ несинусоидален, а его первая (основная) гармоника i_1,1 смещена относительно фазного напряжения сети u₁ на угол j:

j = (a + ,5g).                                                    (4.30)

Это приводит к наличию в УВ помимо активной (полезной) мощности

Р_С = U₁·I_1,1·cosφ                             (4.31)

еще и реактивной мощности

Q_С = U₁·I_1,1·sinj,                                           (4.32)

а также так называемой мощности искажений

                                                  ,                     (4.33)

создаваемой высшими гармоническими составляющими тока i₁. Их удельный вес характеризуют коэффициентом искажения тока  (см. формулу 4.1). 

а

в

б

Рис. 4.8. Эквивалентная схема трехфазного двухтактного симметричного УВ (а);
графики напряжений  и  (б); график выпрямленного напряжения  (в)
для углов регулиро­вания , ,

 

Полная (вольт-амперная) мощность УВ:

.                         (4.34)

Из трёх составляющих этой мощности лишь активная мощность является полезной. Поэтому отношение Р_С/S_C характеризует УВ как сетевую нагрузку и называется коэффициентом мощности К_М. Воспользовавшись уравнениями (4.31), (4.34), (4.1), получим уравнение

К_М = k_И · cosj,                             (4.35)

где k_И – коэффициент искажений тока i₁; cosj – коэффициент фазового сдвига тока i₁ относительно напряжения U₁. Низкие значения К_М из-за сильно искаженной формы тока i₁ либо вследствие большого зна­чения угла регулирования a требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, роста сечения проводов и повышения прочности.

 

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 286; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!