Коммутация тока в выпрямительных преобразователях

В выпрямителях коммутация тока с вентиля на вентиль осуществля­ется естественно за счет спада волны фазного напряжения. Практичес­ки такой процесс осуществляется в течение конечного интервала вре­мени, выражаемого в угловых единицах через γ.

Угол γ принято называть углом коммутации.

Причиной конечно­го значения угла γ >0 является наличие в фазных цепях на входе выпрямителя индуктивных сопротивлений х_ф, обусловленных индуктивностями рассеяния обмоток трансформатора, индуктивностями кабелей линии передачи, индуктивностями генераторов переменного тока, создающих питающую сеть.

В общем виде для любой схемы выпрямления угол коммутации можно определить по формуле (1.3):

(1.3)

Анализируя выражение (1.3), можно установить, что угол коммутации γ возрастает при увеличении индуктивного сопротивления рассеяния обмоток трансформатора x_ф и тока нагрузки I_d, а увеличение напряжения переменного тока U₂ приводит к уменьшению угла коммутации γ.

Рис.1.2 -Контур коммутации (а) и временные диаграммы (б), поясняющие коммутационный процесс

Угол коммутации оказывает влияние на величину выходного напряжения выпрямителя. Падение выпрямленного напряжения от явления коммутации принято называть индуктивным падением напряжения и обозначать как ΔU_dх

, (1.4)

или

.

где

k_т - коэффициент тактности преобразователя.

Коэффициент мощности выпрямителяопределяется отношением активной мощности, потребляемой выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники P₁₍₁₎ к полной мощности S₁, потребляемой

выпрямителем из питающей сети [2]:

, (1.5)

где

P₁₍₁₎ =m₁U₁I₁₍₁₎cosφ₍₁₎ - активная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети по первой (основной) гармоники;

S₁= m₁U₁I₁ - полная мощность, потребляемая выпрямителем из питающей сети;

m₁- число фаз сети, питающей выпрямитель;

U₁ - действующее значение напряжение фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁ - действующее значение тока фазы сети, питающей выпрямитель;

I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники тока фазы сети, питающей выпрямитель;

φ₍₁₎ - фазовый сдвиг первой гармоники тока фазы по отношению к первой гармоники напряжения фазы сети, питающей выпрямитель.

(1.6)

где

I₁₍₁₎/I₁=k_иск. - коэффициент искажения формы тока питающей сети;

cosφ₍₁₎ =k_сдв. - коэффициент сдвига первой гармоники тока питающей сети по отношению к напряжению.

Как показано на рис.1.2, кривые токов, потребляемых выпрямителями, отличны от синусоидальной формы и, кроме первой (основной) гармоники, содержат в своем составе и высшие гармонические, порядок k которых определяется соотношением:

k =k_Тm₂n ±1 , (1.7)

где n=1,2, 3, 4, …- натуральный ряд чисел.

По формуле (1.7) нетрудно определить, что в кривой первичного тока трехфазной мостовой схемы выпрямления (k_Тm₂=6) содержатся гармоники порядков 5,7,11,13, и выше, в кривой трехфазной однотактной схемы выпрямления (k_Тm₂=3) содержатся высшие гармоники порядков 2,4,5,7, и выше, а в кривой однофазного мостового выпрямителя содержатся гармоники порядка 3,5,7, и выше.

Амплитуда высшей гармоники при прямоугольной форме кривой тока вторичной обмотки трансформатора обратно пропорциональны номеру гармоники, т.е.:

(1.8)

Следует отметить, что гармоники более высоких порядков имеют меньшую амплитуду и легче отфильтровываются вследствие более высокой частоты. Поэтому многофазные схемы оказывают меньшее отрицательное влияние на работу силовой сети переменного тока.

Без учета коммутационных процессов коэффициент искажения формы тока питающей сети трехфазного мостового выпрямителя

(1.9)

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения формы тока первичной сети при L_d=∞

С учетом коммутационных процессов коэффициент искажения несколько увеличивается, что приводит к повышению коэффициента мощности выпрямителя в целом.

Так, для трехфазной мостовой схемы выпрямления коэффициент искажения определяется по формуле (1.10)

(1.10)

Без учета угла коммутации коэффициент сдвига равен косинусу угла регулирования, т.е.: k_сдв. =cosα..

Для выпрямительного режима с учетом угла коммутации угол φ₍₁₎= α+γ/2

и коэффициент сдвига управляемого выпрямителя следует определять по формуле (1.11):

(1.11)

При γ<30° более точные результаты определения k_сдв. дает формула (1.12)

(1.12)

Регулировочная характеристике управляемого выпрямителя -это зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования α, т.е. U_d=f(α) [2]. При непрерывном характере тока нагрузки (нагрузка активно-индуктивная, L_d =∞) регулировочная характеристика выпрямителя, выполненного по любой схемы, представляет собой косинусоиду при любом числе вторичных фаз.

(1.13)

При конечном значении индуктивности цепи нагрузки регулировочные характеристики отклоняются от косинусоиды. Отклонение регулировочной характеристики от косинусоиды из-за появления прерывистости тока цепи нагрузки происходит при тем меньших углах регулирования, чем меньше число вторичных фаз (m₂) и чем меньше индуктивность сглаживающего дросселя (L_d). Угол регулирования, соответствующий границе непрерывного и прерывистого характера тока нагрузки, называется граничным углом и обозначается как α_гр., а угол регулирования, при котором выпрямленное напряжение равно нулю, называется углом запирания и обозначается как α_зап..

При чисто активном характере нагрузки (L_d=0) для любой схемы выпрямления можно выделить два участка.

Первый участок регулировочной характеристики, 0<α<α_гр, ток нагрузки непрерывен и регулировочная характеристика имеет косинусоидальный характер:

Второй участок регулировочной характеристики, α_гр <α< α_зап., ток нагрузки имеет прерывистый характер и регулировочная характеристика определяется формулой (1.14):

(1.14)

Значения углов α_гр и α_зап., определяются следующими соотношениями

(1.15)

(1.16)

Определим по (1.15) и (1.16) значения углов α_гр и α_зап. для рассмотренных выше схем выпрямления и сведем эти значения в табл. 1.1.

Таблица 1.1.Значения углов α_гр. и α_зап.

Схема	m2	kT	αгр.	αзап.
Однофазная мостовая			00	1800
Трехфазная однотактная			300	1500
Трехфазная мостовая			600	1200

Регулировочные характеристики однофазного мостового (k_тm₂=2), трехфазного однотактного (k_тm₂=3) и трехфазного мостового (k_тm₂=6) для случая чисто активной нагрузки и активно-индуктивной нагрузки (L_d≠0) приведены на рис.1.3.

Рис.1.3 - Регулировочные характеристики управляемых выпрямителей

Внешняя характеристика выпрямителя [2]– это зависимость среднего значения напряжения нагрузки от тока нагрузки, т.е. U_d=f(I_d) при постоянном (заданном) значении угла регулирования α.

Выражение внешней характеристики выпрямителя имеет вид

(1.17)

В выражении (1.17) учтены следующие падения напряжения при протекании тока нагрузки I_d:

- ∆U_х - индуктивное падение напряжения, вызванное явлением коммутации;

∆U_х =Х_кI_d;

- ∆U_Rф- падение напряжения на активных сопротивлениях трансформатора и вентильного блока выпрямителя (активное падение напряжения):

∆U_Rф =k_тI_dR_ф; (1.18)

R_ф=R_тр+R_в.дин. - сумма активных сопротивлений обмотки трансформатора R_тр и динамического сопротивления вентиля R_в.дин. .

R_тр =R₂+R₁^′,

где

R₂ - активное сопротивление фазы вторичной обмотки трансформатора;

R₁^′ - активное сопротивление первичной обмотки, приведенное к виткам вторичной обмотки трансформатора.

∆U_Lф - падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя фильтра (R_LФ);

∆U_Lф = I_dR_Lф ; (1.19)

∆U_в - падение напряжения на открытом тиристоре;

k_Т = k_Т∆U_пр.; (1.20)

k_Т - коэффициент тактности выпрямителя.

Рис.1.4 -Внешние характеристики управляемого выпрямителя

Следует отметить, что внешняя характеристика выпрямителя соответствует соотношению (1.17) только для режима непрерывного тока нагрузки. При ограниченной величине индуктивности цепи постоянного тока, углах регулирования α_гр. < α и малых токах нагрузки наступает режим прерывистых токов нагрузки, при которых внешняя характеристика резко поднимается вверх (смотри рис. 1.4). Увеличение выпрямленного напряжения в этом случае происходит за счет сокращения длительности работы тиристора в отрицательной области напряжения U₂ вторичной обмотки трансформатора.

При холостом ходе (I_d=0) напряжение в режиме прерывистых токов (α_гр. < α) может быть подсчитано по формуле (1.14).

Прерывистый характер тока имеет место при токах нагрузки I_d:

0< I_d< I_{гр m}.

(1.21)

где ω_c=2πf_c,

f_c - частота сети, питающей выпрямитель;

L_ф - индуктивность дросселя сглаживающего фильтра цепи нагрузки выпрямителя.

Принятые на рис.1.4 обозначения: - U_dα/U_d0 – относительная величины напряжения на выходе выпрямителя;

- I_d/I_d0 – относительная величина тока нагрузки выпрямителя.

Для трехфазного мостового выпрямителя, а также для всех схем, пульсность которых p=k_тm₂=6

. (1.22)

Коэффициент полезного действия выпрямителя [2]:

(1.23)

где:

∑ ∆Р - суммарная мощность потерь выпрямителя;

∑ ∆Р= ∆Р_тр+∆Р_др+ ∆Р_в ;

∆Р_тр= ∆Р_c+ ∆Р_м;

∆Р_тр - потери в трансформаторе;

∆Р_c - потери в стали трансформатора;

∆Р_м - потери в меди трансформатора;

∆Р_др =I_d²R_L - потери в меди дросселя;

∆Р_в - потери в вентилях выпрямителя;

∆Р_в = k_тI_d∆U_в.пр.+k_тI_в² R_в.дин.

I_в-действующее значение тока, протекающего через вентиль.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение понятию «выпрямитель».

2. Приведите и поясните блок – схему выпрямителя.

3. Приведите схему однофазного мостового выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

4. Приведите схему трехфазного однотактного выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

5. Приведите схему трехфазного мостового выпрямителя, дайте пояснения принципу работы этой схемы выпрямления.

6. Дайте пояснения процессу коммутации в выпрямителе, укажите влияние этого процесса на величину выходного напряжения и коэффициент мощности выпрямителя.

7. Перечислите все составляющие потерь мощности в выпрямителе, укажите формулы расчета этих потерь и КПД выпрямителя.

8. Приведите формулы и графики регулировочных характеристик управляемых выпрямителей, поясните в чем заключается различие в этих характеристиках.

9. Приведите формулы и графики внешних характеристик выпрямителей, дайте пояснения их виду.