6.4. Энергетические характеристики трёхфазных выпрямителей

Энергетическая эффективность работы трёхфазного выпрямителя может быть оценена, как и однофазного выпрямителя, коэффициентом мощности: [см. (1.20)]. Ранее было установлено (подразд. 6.3), что угол сдвига первой гармоники сетевого тока  относительно питающего напряжения зависит от угла регулирования  и угла коммутации . При , следовательно:

. (6.32)

В соответствии с (6.32) построим зависимости от угла регулирования  при нескольких значениях углов коммутации  (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Зависимость cos  от угла регулирования  и угла коммутации 

Из анализа рис. 6.14 следует, что значение cos  уменьшается с ростом  и .

Определим для трёхфазной схемы выпрямителя значение коэффициента искажения сетевого тока v, определяющего величину . Значение коэффициента искажения сетевого тока v рассчитывается по формуле (1.38) как отношение действующего значения первой гармоники сетевого тока к его действующему значению :

. (6.33)

Выражение действующего значения тока было получено ранее (см. подразд. 6.2):

, (6.34)

где – коэффициент трансформации трансформатора.

Форма сетевого тока для трёхфазного неуправляемого (а) и управляемого (б) выпрямителей показана на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Кривые сетевого тока и напряжения:

а – неуправляемый выпрямитель; б – управляемый выпрямитель

Гармонический состав сетевого тока определяется рядом Фурье вида:

, (6.35)

поскольку в первом и втором случае форма тока отличается только углом сдвига . Для указанных кривых , поэтому в обоих случаях имеем

. (6.36)

Действующее значение первой гармоники тока определяется первым членом суммы (6.35):

. (6.37)

Коэффициент в знаменателе (6.37) учитывает переход от амплитудного к действующему значению тока.

Подставляя значения из (6.37) и (6.34) в (6.33), получаем

. (6.38)

С учетом последнего выражения и формулы (6.32) определим коэффи­циент мощности :

. (6.39)

Благодаря увеличенному значению по сравнению с однофазными выпрямителями ( ), при том же угле регулирования  и токе , коэффициент мощности трёхфазного выпрямителя больше на 6,1 %.

6.5. Преобразователь частоты с непосредственной связью

Рассмотренный ранее (подразд. 4.6) трёхфазный АИН является преобразователем частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Постоянное по величине входное напряжение инвертора , соответствующее напряжению на конденсаторе (рис. 4.12, а), получают в результате выпрямления однофазного переменного напряжения. С помощью трёхфазного АИН происходит преобразование постоянного напряжения в трёхфазную систему напряжения на нагрузке. Таким образом, преобразование однофазного переменного напряжения в трёхфазное происходит посредством промежуточного звена постоянного тока, включенного на входе инвертора (выход выпрямителя). Получение трёхфазного выходного напряжения происходит путем последовательного выпрямления и инвертирования напряжения с помощью выпрямителя и инвертора, каждый из которых изготавливается на полную мощность нагрузки. Это приводит к двукратному увеличению мощности и веса преобразователя. Для устранения этих недостатков используют систему непосредственного преобразования переменного напряжения одной частоты в переменное напряжение другой частоты. В структуре преобразования напряжения отсутствует звено постоянного напряжения. Существуют различные схемы преобразователей частоты с непосредственной связью (НПЧ), различающиеся числом фаз входного и выходного напряжения.

В

Рис. 6.16. Преобразователь частоты с непосредственной связью

качестве примера рассмотрим схему рис. 6.16 преобразователя частоты с непосредственной связью, в которой осуществляется преобразование трёхфазного напряжения частотой в однофазное переменное напряжение пониженной частоты . Непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) состоит из трёхфазного понижающего трансформатора Тр, вторичные обмотки которого  подключены к тиристорам катодной   ( ) и анодной ( ) групп управляемых выпрямителей. Тиристоры и образуют схемы трёхфазных выпрямителей. Актив­но-индуктивная нагрузка подключена через обмотки уравнительного реактора УР к общей точке соединения вентилей анодной и катодной групп, а также к общей (нулевая) точке соединения вторичных обмоток трансформатора Тр.

В преобразователе с НПЧ возможно согласованное и раздельное управление тиристорами анодной и катодной групп. При согласованном управлении тиристоры одной группы работают в режиме выпрямления, а вентили другой – в инверторном. При этом отсутствует пауза в работе НПЧ, связанная с переходом тока с одной группы тиристоров на другую. При отпирании тиристоров катодной группы на нагрузке формируется положительная (относительно нулевого вывода трансформатора) полуволна напряжения нагрузки ; отрицательные значения связаны с работой тиристоров анодной группы. При согласованном управлении средние значения эдс и анодной и катодной групп (рис. 6.16) равны между собой, однако их мгновенные значения различны. Для ограничения уравнительного тока, протекающего между группами вентилей под действием разности эдс и в схему НПЧ включают уравнительный реактор, состоящий из двух полуобмоток с индуктивным сопротивлением .

Уравнительные токи можно исключить путем раздельного управления тиристорами анодной и катодной групп. При раздельном управлении ток нагрузки поочередно замыкается через вентили анодной и катодной групп. Вступление в работу вентилей одной группы происходит только после того, как уменьшится до нуля ток, протекающий через тиристоры другой группы. После спадания до нуля анодного тока тиристора требуется задержка времени  для восстановления его запирающих свойств. Поскольку время выключения тиристора значительно меньше периода выходного напряжения , то в дальнейших рассуждениях время задержки  принимаем равной нулю.

Рассмотрим вначале работу НПЧ при раздельном управлении тиристорами анодной и катодной групп. В течение некоторого времени поочередно открываются вентили катодной группы, а затем в течение такого же времени – вентили анодной группы. При последовательном открытии тиристоров катодной группы на нагрузке формируется положительная полуволна выходного напряжения относительно нулевого вывода трансформатора. При работе тиристоров анодной группы на нагрузке формируется отрицательная полуволна выходного напряжения. Благодаря поочередному открытию тиристоров различных групп на сопротивлении нагрузки формируется переменное напряжение заданной частоты . Для обеспечения потенциальных условий при переключении тиристоров анодной и катодной групп необходимо выполнить следующее: напряжение на аноде вступающего в работу тиристора катодной группы должно быть больше анодного напряжения проводящего ток тиристора этой группы. Аналогичные условия должны выполняться для тиристоров анодной группы: напряжение на катоде открываемого вентиля должно быть более отрицательным по сравнению с тиристором этой группы, находящимся в работе. Таким образом, открытие очередного тиристора может происходить в точках естественного открытия вентилей выпрямителя или с задержкой на угол  относительно этих точек. На рис. 6.17 приведена форма выходного напряжения рассматриваемого преобразователя при некотором угле регулирования тиристоров .

Рис. 6.17. Форма выходного напряжения преобразователя с НПЧ

При подаче отпирающих импульсов шириной на тиристоры НПЧ ток нагрузки проводит тот вентиль, потенциальные условия которого выше по сравнению с другими вентилями группы. В момент включения первого вентиля группы на нагрузке, когда скачком прикладывается напряжение вторичной обмотки трансформатора, формируется напряжение в виде прямой вертикальной линии. Из рис. 6.17 следует, что частота выходного напряжения меньше частоты питающей сети. Между этими величинами может быть установлено следующее соотношение:

, (6.40)

где k = 1, 2, 3…

В соответствии с (6.40) на полупериод выходного напряжения приходится, по крайней мере, один полупериод сетевого напряжения из числа k полуволн питающего напряжения с периодом повторяемости трёхфазного сетевого напряжения. В соответствии с соотношением: выражение (6.40) можно представить в виде

. (6.41)

Из (6.41) следует, что для трёхфазно-однофазного преобразователя частота выходного напряжения зависит от частоты питающей сети и числа полуволн k питающего напряжения в форме выходного напряжения . При постоянном значении k величина и форма зависит от угла открытия тиристоров . Величину напряжения можно регулировать путем одновремен­ного изменения угла открытия тиристоров обоих групп выпрямителя. При неизменном значении  форма выходного напряжения близка к прямоугольной.

Таким образом, при раздельном управлении особенность работы НПЧ заключается в отсутствии уравнительного реактора, вследствие чего работа очередной группы преобразователя должна начинаться только после уменьшения до нуля тока другой группы.

Рассмотрим теперь работу преобразователя с НПЧ при согласованном управлении тиристорами анодной и катодной групп. На рис. 6.18 и 6.19 приведены диаграммы эдс катодной и анодной группы выпрямителя при k = 6. В соответствии с (6.41) частота выходного напряжения преобразователя при 50 Гц составляет

Гц.

Кривые и формируются из участков фазных напряжений путем регулирования угла открытия тиристоров  анодной и катодной групп. Переключение тиристоров происходит путем естественной коммутации, т.е. под действием напряжения вторичных обмоток трансформатора.

Рис. 6.18. Формирование кривой эдс катодной группы

Рис. 6.19. Формирование кривой эдс анодной группы

Управление тиристорами осуществляется с помощью модулирующих напряжений и напряжений несущей (рис. 6.18, 6.19). Кривую выходного напряжения (напряжение на нагрузке) можно сформировать путем использования различных законов изменения напряжений и . В данном случае использованы пилообразная форма напряжения и симметричное треугольное модулирующее напряжение . Переключение тиристоров катодной группы выпрямителя происходит в моменты равенства напряжений: , а тиристоров анодной группы – при . Благодаря разному периоду напряжений и угол открытия тиристоров  плавно изменяется в диапазоне от 0 до . Угол  измеряется от точек естественного открытия вентилей. Отрезки прямых модулирующего напряжения формируются в соответствии с фазными напряжениями: . Изменение ординат происходит в диапазоне регулирования угла  открытия тиристоров от 0 до . Начало прямых совпадает с точками естественного открытия вентилей катодной и анодной группы выпрямителя. Так, в моменты времени, когда соответствующее ему положительное фазное напряжение становится наибольшим по сравнению с другими фазными напряжениями. Аналогично и при наименьшем значении соответствующего фазного напряжения. Соответствие модулирующих и фазных напряжений: показано пунктирными линиями (рис. 6.18 и 6.19). Поскольку за период выходного напряжения значения модулирующих напряжений увеличиваются от нуля до , фазовый угол  управления тиристорами также изменяется в диапазоне 0 – . Напряжения несущей имеют период повторяемости: сек и также изменяется в диапазоне 0 – . Для углов ₁ и ₂ в любой момент времени выполняется условие: . Рабочие участки для тиристоров разных групп показаны утолщенными линиями (рис. 6.18 и 6.19).

Рассмотрим более подробно процесс формирования кривых и эдс анодной и катодной группы. Модулирующее напряжение в точке 1 (рис. 6.18), соответствующее напряжению , становится равным напряжению при значении ₁. В этот момент времени подается импульс управления: на тиристор , подключенный к обмотке с напряжением . После его открытия эдс до следующего переключения тиристоров определяется фазным напряжением .

Следует обратить внимание на то, что при естественной коммутации тиристоров после их переключения происходит увеличение эдс .

Аналогично происходит переключение тиристоров и анодной группы: в точке 2 (рис. 6.19) сравниваются напряжения и и формируется импульс с углом ₂ для открытия тиристора анодной группы. В данном случае модулирующее напряжение соответствует фазному напряжению  , поэтому импульс управления: поступает на тиристор , подключенный к обмотке трансформатора с напряжением . После открытия тиристора эдс до следующего переключения тиристоров определяется напряжением .

Следует также обратить внимание на то, что для обеспечения условий коммутации тиристоров анодной группы эдс после переключения становится более отрицательным.

На рис. 6.20 представлены результаты математического моделирования работы преобразователя с НПЧ, в котором реализован алгоритм управления тиристорами, показанный на рис. 6.18–6.19.

Рис. 6.20. Диаграммы работы преобразователя с НПЧ

Кривые напряжения и тока нагрузки, а также напряжение на обмотках уравнительного реактора , соответствуют разности эдс: анодной и катодной группы. Кроме того, напряжение имеет ступенчатую форму, определяемую амплитудным и вдвое меньшим значением фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. При активно-индуктивной нагрузке форма тока имеет близкий к синусоидальному вид и смещена в сторону отставания относительно напряжения . При этом следует отметить значительную величину напряжения на обмотках уравнительного реактора, соизмеримую с напряжением нагрузки.

Таким образом, посредством преобразователя с НПЧ можно получить переменное напряжение на нагрузке без использования в структуре преобразования устройства выпрямления. Такой способ преобразования напряжения отличается повышенным значением кпд, при этом форма тока нагрузки близка к синусоидальной.

К недостаткам преобразователя следует отнести то, что максимальная частота выходного напряжения является ограниченной. Для получения напряжения нагрузки с частотой, превышающей частоту сетевого напряжения, необходимо использовать искусственную коммутацию тиристоров, что усложнят систему управления преобразователем и снижает качество выходного напряжения.

Выводы

1. Для компенсации потока вынужденного намагничивания трансформатора трёхфазного выпрямителя с нулевым выводом необходимо вторичные обмотки трансформатора соединить в «зигзаг».

2. Вид регулировочных характеристик трёхфазного управляемого выпрямителя при _р > 60 эл. град определяется характером нагрузки.