Трифазний однотактний керований випрямляч

Розглянемо керований режим роботи випрямляча. Його схема зображена на рис.3.6.

Рис. 3.6

Як видно зі схеми рис. 3.6 керований випрямляч реалізується шляхом заміни звичайних діодів на керовані діоди – тиристори. Додатково потрібно використовувати спеціальну систему імпульсно – фазового керування (СІФК), в завдання якої входить генерація імпульсів вмикання тиристорів. Трифазний однотактний керований випрямляч як правило використовується для живлення низьковольтного навантаження, тому комплектується з понижувальним трансформатором.

Діаграми миттєвих значень струмів та напруг випрямляча в режимі активного навантаження зображені на рис.3.7.

 

 

Рис. 3.7

Принцип роботи такого перетворювача базується на зміні моментів вмикання тиристорів. За таких умов до навантаження буде прикладена тільки частина робочих півперіодів мережі живлення, як це зображено на рис.3.7,в. Тобто при зміні моменту вмикання тиристорів, площа півперіодів, які формують напругу на навантаженні, буде змінюватись. Тим самим буде змінюватись середнє значення випрямленої напруги, а також, як наслідок, величина струму навантаження. Таким чином, керований випрямляч суміщує дві функції –випрямлення та регулювання рівня напруги та струму в колі навантаження.

На рис.3.7,б зображені імпульси напруги u_k, які вмикають відповідні тиристори. Фаза цих імпульсів змінюється в межах

Причому, за початок підрахунку кута α беруться точки перетину фазних е.р.с. вторинної обмотки трансформатора, тобто точки природної комутації.

Миттєві діаграми вихідної напруги u_d, струму тиристора i_VТ1 та зворотної напруги на ньому в режимі активного навантаження зображені на рис.3.7в,г, для кута α =30˚

Встановимо зв'язок між величиною кута вмикання тиристора α та рівнем середньої напруги випрямляча. Так як на періоді вкладаються три пульсації випрямленої напруги, то досить розглянути тільки одну з них обумовлену наприклад, е.р.с. фази a.

Виходячи з особливостей роботи трифазного випрямляча, слід розглядати два інтервали зміни кута α. Перший з них, забезпечує режим безперервного формування випрямленої напруги і обмежений інтервалом:

На другому інтервалі у вихідній напрузі з’являються нульові проміжки і вона та струм навантаження стають переривчастими. Такий режим спостерігається при кутах:

Відповідно середнє значення випрямленої напруги на обох інтервалах буде по різному залежати від кута α. На першому з них:

 

(3.25)

 

де: U_do - середнє значення напруги при α =

 

 

На другому інтервалі, коли

 

 

3.26

Вирази (3.25)та (3.26) називаються регулювальними характеристикамивипрямляча і використовуються для виконання п.8 завдання.

У випадку згладженого струму, коли L_d → ∞, при кутах режим роботи випрямляча нічим не відрізняється від роботи на активне навантаження. У випадку в кривій випрямленої напруги з’являються від’ємні ділянки, обумовлені тим,що працюючий тиристор утримується і відкритому стані навіть при зміні знаку фазної е.р.с. Ця особливість пояснюється накопиченням індуктивністю енергії в магнітному полі за рахунок якої струм в колі навантаження залишається нерозривним. За цієї причини увімкнений тиристор буде залишатись в зазначеному стані до тих пір, поки не вступить в роботу тиристор наступної фази і струм навантаження не перемкнеться на нього. Таким чином, тиристори випрямляча завжди відкриті третину періоду. Миттєві діаграми для α=60˚ зображені на рис.3.8.

З наведених діаграм рисунку 3.8 видно, що в кривій випрямленої напруги відсутні нульові проміжки і струм навантаження залишається безперервним в усьому діапазоні зміни кута α. Тому регулювальна характеристика випрямляча буде єдиною і такою, що відповідає виразу (3.25), отриманому саме з умови безперервності випрямленої напруги та струму. Цю обставину слід враховувати при виконанні п.8 завдання.

 

 

 

Рис. 3.8

3.6. Трифазний мостовий випрямляч.(Схема Ларіонова).

Принципова схема та миттєві діаграми напруг та струмів випрямляча зображені на рис.3.9.

 

Рис. 3.9

На відміну від попередньої, наведена схема є двотактною, тобто за кожен період струм у вторинній обмотці трансформатора змінюється двічі за період в протилежних напрямках. Завдяки цьому струм вторинної обмотки не містить постійної складової, що суттєво покращує коефіцієнт використання трансформатора.

Методика розрахунку випрямляча обумовлена характером електромагнітних процесів в його схемі. Його робота детально розглянута в теоретичних положеннях до лабораторної роботи №3 в другому розділі посібника. Згідно до цих положень, зв'язок між діючим значенням вхідної напруги випрямляча та середнім значенням його випрямленої напруги встановлюється за допомогою виразу (2.6).

 

Враховуючи зв'язок між лінійною та фазною напругами, одержимо:

Струм навантаження

Опір навантаження розраховується через потужність

Кожен діод випрямляча працює третину періоду. Його струм:

Амплітуда зворотної напруги на ньому дорівнює амплітуді лінійної напруги вторинної обмотки, тобто:

За знайденими значеннями I_V та U_VDmax вибирають з довідника [7] відповідний діод та його охолоджувач за розглянутою в попередніх розділах методикою. Якщо клас діода не задовольняє розрахунковому рівневі зворотної напруги, то їх слід ввімкнути послідовно. Кількість послідовно з’єднаних діодів залежить від робочої напруги і повинна задовольняти умові:

де: n - кількість послідовно з’єднаних діодів;

U_КЛ - клас за зворотною напругою вибраного типу діода.

У випадку, коли розрахунковий струм діода перевищує його допустиме значення потрібно певну кількість діодів увімкнути паралельно. Кількість паралельно увімкнених діодів слід визначити з виразу:

 

де: I_VD – розрахунковий струм; I_V – експлуатаційний струм вибраного діода з відповідним типом охолоджувача та способом охолодження.

Типова потужність трансформатора розраховується як і у випадку трифазної однотактної схеми. За відсутністю постійної складової в струмі вторинної обмотки трансформатора гармонічний склад струмів обох обмоток буде співпадати. Тому повні потужності обмоток дорівнюють одна одній, тобто

В режимі активного навантаження повна потужність вторинної обмотки

Знайдемо амплітуду фазного струму , одночасно виразивши її через струм навантаження:

Фазний струм трансформатора складається з чотирьох однакових пульсацій з амплітудою (див. рис. 3.9г). При визначені діючого значення струму або напруги їх полярність не враховується в зв’язку з тим, що визначається середньоквадратичне значення цього струму чи напруги.

Розглянемо одну з таких пульсацій. Сумістивши початок відрахунку з її амплітудою, матимемо:

Тобто діюче значення фазного струму у вторинній обмотці трансформатора приблизно дорівнює струму навантаження випрямляча у випадку роботи останнього на резистивне навантаження.

Повна потужність вторинної обмотки у вказаному випадку

Звідки типова потужність трансформатора

Коефіцієнт використання трансформатора у випадку роботи випрямляча на резистивне навантаження

Цей показник кращий ніж у випадку трифазного однотактного випрямляча, але він свідчить про відносно низьку ефективність використання мостового випрямляча в режимі резистивного навантаження. Пояснюється це погіршеним гармонічним складом фазного струму первинної та вторинної обмоток трансформатора.

В режимі активно – індуктивного навантаження розрахунок спрощується. Фазний струм у вказаному випадку набуває форми різнополярних прямокутників тривалістю третину періоду з амплітудою рівною струму навантаження (див. рис. 3.9г,д). Діюче значення такого за формою струму буде дорівнювати:

Звідки

Коефіцієнт використання трансформатора К _в =1,047 свідчить про високу ефективність роботи випрямляча в режимі активно – індуктивного навантаження, що пояснюється поліпшеним гармонічним складом струму обмоток трансформатора.

Розрахунок індуктивності фільтру не залежить від схеми випрямляча і викладений у попередньому розділі. Слід лише врахувати, що для схеми Ларіонова .

Схема керованого випрямляча та його миттєві діаграми для навантажень різного типу наведені в теоретичних положеннях до лабораторної роботи №3 в другому розділі посібника. Там же пояснюється принцип його роботи та наводяться регулювальні характеристики за допомогою яких слід виконати п.8 завдання.

 

 

 

 

Література

Основна

1. Руденко В.С. Основы преобразовательной техники. Учебник для вузов / Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. – М,: Высшая школа, 1980.- 423 с.: ил.

2. Сенько В.І. Електроніка і мікросхемотехніка. Підручник для вузів. Том3./ Сенько В.І., Панасенко М.В., Сенько Є.В., Юрченко М.М., Сенько Л.І., Ясинський В.В. – Харків.: Фоліо., 2003. – 510 с.: іл.- ISBN 966-03-1770-0.

3. Руденко В.С. Промислова електроніка. Підручник для вузів./ Руденко В.С., Ромашко В.Я., Трифонюк В.В. – Київ.: Либідь, 1993. – 432 с.- ISBN 5-325-00332-1.

4. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники./Розанов Ю.К. – М.: Энергоиздат., 1992 – 296 с. ISBN 5-283-00681-6.

5. Полупроводниковые выпрямители. / Беркович Е.И., Ковалев В.Н., Ковалев Ф.И., Кочетков В.Д., Крылов С.С., Курносов Б.Д., МостковаГ.П., Кырков В.В., Толкачов А.И. Под ред. Ковалева Ф.И. и МостковойГ.П. – 2 изд., переработанное.- М.: Энергия, 1978 – 448 с.

6. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектро-технических специальностей вузов./Герасимов В.Г., Князьков О.М., Краснопольский А.Е., Сухоруков В.В. – М.: Высшая школа, 1986 – 336 с.

7. Силовые полупроводниковые приборы: справочник. -2 изд./ Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. – М.: Энергоатомиздат, 1985 – 400 с.

8. Онищенко Г.Б. Электрический привод. Учебник для вузов./ Онищенко Г.Б. - М.: РАСХН, 2003. – 320 с. – ISBN 5-85941-045-X.

9. Бедфорд Б., Хорт Р. Теория автономних инверторов.: перевод с английского под ред. Антика И.В. / Бедфорд Б., Хорт Р. - М.: Энергия, 1969. – 280 с.

10. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник для вузов./ Бессонов Л.А. – М.: Высшая школа, 1978. – 528 с.

11. Мэрфи Дж. Тиристорное направление двигателями переменного тока.: Перевод с английского./ Мэрфи Дж. – М: энергия, 1979 – 256 с.

 

 

Рекомендована

1. Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе. / Берштейн

А.Я., Гусяцкий Ю.М., Кудрявцев А.В., Сарбатов Р.С. – М.: Энергия,

1980. – 328 с.

2. Толстов Ю.Г. Автономные инверторы тока./ Толстов Ю.Г. – М.: Энергия, 1978. – 208 с.

3. Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применения. Перевод с английского./ Джюджи Л., Пелли Б. – М.: Энергоиздат, 1983. – 400 с.

4. Севернс Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электроиспытания. Перевод с английского. под ред.. Смольникова Л.Е. / Севернс Р., Блум Г. – М.: Энергоиздат., 1998. – 294 с.ил – ISBN 5-283-02435-0 (рус.); ISBN 0-442-21396-4 (англ.).

5. Глазенко Т.А., Иришков В.И. Тиристорные преобразователи с дросселями насыщения для систем электропривода./ Глазенко Т.А., Иришков В.И. – Л.: Энергия, 1978. – 136., ил.

 

 

Глосарій

анод……………………………………………………………………………anode

активна потужність……………….............................................……..active power

активний опір……………………………………………………...active resistance

амплітуда…………………………………………………………………amplitude

автономний інвертор………………………………………………...static inverter

автоматизований електропривод………………..…………automatic motor drive

база транзистора…………………………………………………………….…base

випрямляч…………………………………………………………....……..rectifier

витік польового транзистора…………………...……source field effect transistor

діод…………………………………….................................................……..diode

дірка як носій заряду……………………..............................................……..hole

домішки…………………………………………………………………….impurity

домішки n-типу…………………………………………….………n-type impurity

домішки p-типу…………………………………………………….p-type impurity

емітер……………………………………………...................................…..emitter

електропривод……………………………………………………..….motor drives

ємність………………………………....................................................…..capacity

затвор польового транзистора…………………………gate field-effect transistor

затвор…………………………………………………………………………...gate

змінний струм…………………….........................................……..altivar current

інвертор…………………………………………………………..…………inverter

інвертор струму……………………………………………...…….parallel inverter

інвертор напруги…………………………………….…………….voltage inverter

індуктивність……………………………………………………………inductance

індукція…………………………………………………………………....induction

інжекція……………………………………………………………...…….injection

інтеграл………………................................................................….……..integral

імпульс…………………………………………………………………..…….pulse

інжекція носіїв заряду……………………………..………charge carrier injection

конденсатор…………………..........................................................…..condenser

коефіцієнт потужності……….………………………………...…factor of power

кут зсуву фаз…………………………………...………….corner of shift of phase

катод………………………………………………………………...………cathode

модуляція……………………………………………………..………..modulation

миттєве значення………..………………......……………………instant meaning

напруга…………………………………………………………….……….voltage

період……………………………………………..…………………………period

початкова фаза…………………………………………………..……initial phase

провідність………………...................................……………………..conductivity

p-n-перехід…………………………………………..…………………p-n-junction

постійний струм…………......................................................……..direct currents

повна провідність………………………………….……………………admittance

принцип роботи діода…………………………………………………diode action

перетворювач частоти…………………..…………………….frequency changes

резистор………………………………………………………….....………resistor

реактивний опір……………………………………..………….reactive resistance

резонансний контур…………………………………….…………………acceptor

струм………………………………………………………………………..currents

статичний перетворювач частоти………….………….static frequency changers

система керування…………………………………………..……system operation

система імпульсно-фазового керування…………..…phase-pulse system driver

тиристор…………………………………………….……………………..thyristor

тиристор двоопераційний……………………………………gate turn-off switch

тиристор симетричний………………………..…….bidirectional triode thyristor

транзистор…………………………………………………..……………transistor

транзистор силовий……………………….……………………..power transistor

транзистор біполярний…………………………………….…..bipolar transistor

транзистор польовий………………………………………..field-effect transistor

транзистор польовий з

ізольованим затвором……………………………......metal-oxide semiconductor

field-effect transistor

транзистор Дарлінгтона……………………...……………Darlington transistor

фаза……………………………………………………………………..……..phase

частота……………………………………………………………………frequency

частотно-регульований

електропривод………………………...variable frequency speed a.c. motor drivers

частотно-імпульсна модуляція………………………frequency pulse modulation

широтно імпульсна модуляція……………………………time-pulse modulation

 

Предметний

А

Анод, 13

Автономний

інвертор, 8

Агрегат, 19

Автоматизований

електропривод, 70

Активно-індуктивне

навантаження, 36

Асинхронний двигун, 78

Амплітуда, 10

Амплітудне

значення, 15

Б

База, 24

Біполярний транзистор, 21

В

Випрямляч, 8

Випрямний міст, 38

Витік польового

транзистора, 23

Г

Гармоніка, 36

Гармонічний склад, 49

Генератор, 120

Д

Двигун, 19

Діод, 10

Діюче значення, 30

Динистор, 15

Драйвер, 21

Е

Електрорушійна сила (е.р.с.), 31

Емітер, 26

Електропривод, 70

Є

Ємність, 95

З

Закон частотного регулювання, 116 Затвор польового транзистора, 20

Показчик

І

Інвертор, 8

Інвертор струму, 96

Інвертор напруги, 99

Імпульс, 33

Індуктивність, 92

Імпульсна модуляція, 120

К

Катод, 13

Керувальна характеристика, 42

Керуючий електрод, 20

Конденсатор, 10

Контоллер, 26

Контур, 42

Комутація, 22

Коллектор, 24

Коефіцієнт потужності, 32

Кристал, 14

Кут вмикання, 33

М

Миттєве значення, 11

Модуляція, 22

Модуль, 13

Н

Напруга, 11

О

Обмотка, 18

Осцилограф, 44

П

Період, 31

P-n-перехід, 11

Перетворювач частоти, 4

Польовий транзистор, 20

Потенціал, 31

Пропорційний закон регулювання, 116

Р

Резистор, 30

Реактивний опір, 37

Реактивна складова опору, 37

Резонансний інвертор, 8

Рекуперативне заторможення, 39

Регулювальна

характеристика, 42

С

Скважність, 89

Статор, 115

Струм, 11

Середнє значення, 18

Статичний перетворювач

частоти, 118

Система керування, 33

Система імпульсно-фазового

керування, 17

Схема, 28

Т

Тиристор, 9

двоопераційний, 10

 

 

Трансформатор, 10

Триністор, 16

Типова потужність, 33

Ф

Фаза, 59

Фазо-імпульсне регулювання, 17

Фазовий зсув, 47

Фільтр, 48

Ч

Частота, 22

Частотно регульований

електропривод, 4

Частотно-імпульсне

регулювання, 89

Частотно-імпульсна

модуляція, 89

Ц

Циклоконвертор, 8

Ш

Широтно-імпульсна

модуляція 118,

Широтно-імпульсне

регулювання, 89

звичайний, 10

індукційний, 20

симетричний, 19

статичний, 20

Транзистор, 4

біполярний, 10

гібридний, 9

польовий, 10

Навчальне видання

 

Родінков Валерій Іванович

 

 

Перетворювальна техніка

Силові напівпровідникові прилади та їх застосування.

Лабораторний практикум. Трифазні випрямлячі та їх розрахунок

Навчально-методичний посібник

 

 

Оригінал-макет підготовлено автором

 

 

Редактор О.Д. Скалоцька

 

 

Науково-методичний відділ ВНТУ

Свідоцтво Держкомінформу України

Серія ДК № 746 від 25.12.2001

21021, м. Вінниця, Хмельницьке шоссе, 95, ВНТУ

 

 

Підписано до друку Гарнітура Times New Roman

Формат 29,7 х 42 ¼ Папір офсетний

 

Друк різографічний Ум. друк. арк.

Тираж прим.

Зам. №

 

 

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

Свідоцтво Держкомінформу України

Серії ДК № 746 від 25.12.2001

21021, м.Вінниця, Хмельницьке шосе, 95