Коммутация токов в мощных выпрямителях

Во всех рассмотренных случаях мы пренебрегали индуктив.рассеяния тр-ра Хs=Ха Ха=Σ(Хs2+Хs1), определяют их опыта к.з. , это допустимо при малых токах (Id <10A). При больших токах влияние Ха -необходимо учитывать. Наличие угла коммутации γ≠0 вносит существенные изменения в работу схемы и в форму кривых i и U. Учитывать все факторы коммутации сложно. Для упрощения будем пренебрегать активным сопротивлением при идеально сглаженном токе, т.е. Хd=∞, что дает результаты, близкие к реальным режимам.

 

Однофазная схема с «0» точкой

 

0-υ₁- открыт V₂, i_a=I_d=const

υ₁=α выкл. V1 и начинается коммутация тока V2 на V1 в течении υ₁и υ₂=γ

оба вентиля открыты

В момент времени υ₁ имеем

i_a1=0+i_2k

i_2a=I_d-i_2k

Направление и величина i_2k – ток коммутации (ток к.з.) определяется коммутирующей эдс e_k

 

e_k=e₂-e₁=2 e₂sin(υ+α)

 

i_2k – переходной ток при включении индуктивного контура на синусоидальное напряжение e_k c фазой α

 

i_2k=i_2k^´+i_2k^´´=i_пр+i_св

 

 

 

 

 

 

Для принужденной составляющей: ток сдвинут (отстает) на π/2 и нагружен на сопротивление контура 2Ха.

i_2k^´=

 

i_2k^´´=i_св= , при Хd=∞; i_св=А, тогда А найдем из условия при υ=α i_2k=i_a1=0

 

; i_св=А=

 

Тогда для вентиля, вступившего в работу

i_a1= i_2k^´ +i_2k (3)

Ток вентиля выключающегося

i_a2=Id-i_2k=Id- (4)

Из формул 3 и 4 следует, что токи изменяются по косинусоидальному закону. Графически это cos с амплитудой и сдвинуты на угол α, т.е. мах cos на «0» sin e₂

 

Ток Id=i_k в момент υ=α+ γ подставляем в 3, получим

 

Id= (cos α–cos(α+γ)) (5)

это уравнение связывает γ,2,Id и называется УРАВНЕНИЕМ КОММУТАЦИИ.

 

При α=0, угол γ=γ₀, получим

 

1-cosγ₀= =>γ₀=arccos(1- ) (6)

разделив 5 на 6 получим

 

γ=arccos[cosα+cosγ₀-1]-α] (7)

C ростом α –γ уменьшается, т.к. увеличивается е_2к

γ₀=f(Ха,Id)

1).при Ха ↑ Id=const γ₀ ↑–процесс коммутации более медленный

2).при Id ↑ Ха=const =const при той же скорости dik/dυ –больше времени до нарастания большей величины Id

 

КОММУТАЦИОННЫЕ ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

 

В период коммутации обмотки тр-ра замыкаются накоротко и выравниваются: у фазы, вступающей в работу снижается е₁′=е₁-е_2а, е_2а-ЭДС самоиндукции при нарастании тока; у фазы выключающейся-повышается

е₂′=е₂+е_2а, поэтому

Ud= =0, т.к.е₂=е₁

и противоположны по знаку. Тогда выпрямл. напряж. снижается на величину ∆Uха -индуктивное падение напряжения -заштрихованные площадки.

Для данной схемы

∆Uха sinυdυ= [cosα-cos(α+γ)]

Используя (5), получим ∆Uха=

∆Uха- не зависит от α, увеличивает пульсации и искажения Ud

Величина > > падения напряжения на Rтр и Ra

Максимальное значение прямого напряжения Uпр.мах=2√2е₂sinα

Начальный скачок обр. напряжения Uво=2√2е₂sin(α+γ)

Выпрямленное напряжение с учетом коммутации

Ud=Ud₀ cosα- Id

Или

Ud=Ud₀

ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАЛОМОЩНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Ud=f(Id)- определяет эксплуатационные качества выпрямителей

Для однофазной двухполупериодной со средней точкой

Ud=Ud₀cosα-ΔUха-ΔU_R-ΔUa

Ud_хх=Ud₀cosα-напряжение хх(Id)

Ud₀=0.9e_2ф

ΔUха=IdХа/π-коммутационные падения напряжения

Самые большие 10-20В

ΔU_R=i_dR_тр- падение на R тр-ра ≈1,2В

ΔUa- падение напряжения на вентиле ΔUa=U₀+i_aR_d

В мощных выпрямителях ΔU_R и ΔUa пренебрегают

Неуправляемый выпрямитель (α=0) ΔUха= 0

Ud=Ud₀-ΔU_R-Δua

Все определяет Ud₀ (зависящее от схемы)

1).однофазный однополупериодный Ud₀=0.45E_2ф

2).однофазный двухполупериодный с 0 Ud₀=0.9E₂

3)однофазная мостовая Ud=0.9E₂

круче, т.к. ΔUa=2(U₀+i_aR_d)

 

Влияние фильтров

 

Внешние характеристики в относительных единицах

 

U_d*=U_d/U_δ, U_δ=U_d0

 

I_d*=I_d/I_δ, I_δ=I_d0

 

Для мостовой

1.без фильтра

2.с L-фильтром

3.с С-фильтром

4.с LС-фильтром

Выпрямители трехфазного тока

Трехфазные выпрямители применяются для питания потребителей большой и средней мощности (I >10А; U >100B; P>1000Вт)

 

Первичная обмотка-3-х фазная (соединяется в Υ или Δ). Вторичные обмотки имеют в общем случае m₂=m фаз (кратные 3)

 

Критерий к выбору числа m:

1).min пульсаций в кривой Ud

2).min число и величина высших гармоник в кривой i₁

3).высокий уровень использования обмоток тр-ра

4).исключение потока вынужденного подмагничивания.

Нагрузка любая.

 

Однополупериодные выпрямители 3-х фазного тока.

Схема со средней точкой –неуправляемый.

МИТКЕВИЧА

Ld=0, активная нагрузка

La=0, γ=0

ПРИНЦИП: в любой момент времени проводит ток тот вентиль, фазовая ЭДС е₂ на аноде которого положительна

Коммутация вентилей - в точках равенства

е_2а+е_2с=е_2В - мгновенно

Т.1,2,3 - точки естественной коммутации

Угол проводимости λ=2π/m

m=3 λ=120^o

кратность частоты пульсаций

gm=1 ^. 3=3

↓

первая гармоника

Среднее значение выпрямленного напряжения

При m=3 Ud=1.17e₂

При проектировании чаще обратное соотношение

е₂=0,854Ud

Форма id и Ud совпадают, поэтому

 

Id_ср=

 

I_am=Е_2m/R_d-амплитудное значение тока тиристора

Коэффициент пульсаций

Частота пульсаций для q-й гармоники f_q=qmf_c=3q ^. 50=q150Гц

Средний ток вентиля I_a=I_d/m=I_d/3=0.33Id

Действующее значение тока вентиля

I₂=I_a=

m=3 I₂=0.48I_am=0.528Id

Коэффициент формы тока Кф=I_ad/I_аср=0,528/0,33=1,73≈√3

 

Максимальное обратное напряжение

U_обр.m=√3√2е₂= 2,09Ud

Расчетная мощность вторичной обмотки тр-ра

S₂=mE₂I₂=3 ^. 0.857Ud ^. 0.583Id=1.48Pd

 

Токи в первичной обмотке тр-ра определим из условия

 

i_a+i_в+i_c=0. Для проводящего состояния VI i_a≠0

i_2a=Id i_2в=i_2c=0

Для магнитных контуров i_2a-i_a+ i_в=0

-i_в+i_c=0 =>i_a=2/3Id i_в=-1/3Id i_c=-1/3Id

 

Аналогичная картина для проводящего состояния вентилей √2√3

I₁=0.476 Ктр ^. Id

S₁=m₁U₁I₁=3 ^. е₂I₁=1.22Pd

Типовая мощность трансформатора

S= =1.35Pd

Вынужденное намагничивание тр-ра

Из диаграмы следует, что в любой момент времени существует нескомпенсированная MDC Fв=1/3F₀

F₀=i_2a ^. W₂-полная MDC-полный поток намагничивания.

 

Ф_в=Ф+Ф –замыкается по сердечнику, воздуху и ст.арматуре.

Сердечник насыщается- увеличивается ток намагничивания, и его форма становится несинусоидальной + вихревые токи в стали- дополнительный нагрев, потери, к.п.д уменьшается, нелинейные искажения.

Борьба: увеличение сечения сердечника или снизить магнитную индукцию, схемные решения.

 

Соединение первичных обмоток трансформатора Δ.

В потоке вынужденного подмагничивания остается только постоянная составляющая. Переменная составляющая с явно выраженной 3-й гармоникой компенсируется потоками, которые образуют токи выысших гармоник частотой равной трем, содержащихся в токах первичных обмоток трансформатора и замыкающихся по контуру Δ, образованному этими обмотками.

Действительно в Δ ток каждой фазы может протекать независимо от токов других фаз первичной обмотки.

Пусть W₁=W₂=W тогда фазный ток первичной обмотки находится исключением из i_a2- постоянной составляющей (тр-р=состав.не передается)-I/3

i_ав=(i_2a-I_d/3)

i_bc=(i_2b-I_d/3)

i_ca=(i_2c-I_d/3)

Линейные токи равны разности фазных токов

i_a=(i_ab-i_ca)

Результирующая МДС стержня А

F_a=W(i_2a-i_ab)-1/3WI_d

Т.е. МДС имеет только постоянную составляющую