Трёхфазные выпрямители

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Силовые преобразователи используют для питания электродвигателей,электромагнитов и т.д., работающих от сетей постоянного и переменного тока различных напряжений.

Силовые преобразователи для питания электромагнитов, как правило, состоят из элемента гальванической развязки на оптопаре и ключа на биполярных и IGBT транзисторах или тиристорах и симисторах. Наиболее сложены схемы гальванической развязки и ключей для электроприводов, но в последнее десятилетие, благодаря успехам силовой электроники, освоено промышленное производство биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых модулей на их основе (стойки и целые инверторы), а также силовых модулей (IPM) с встроенными средствами защиты силовых ключей и интерфейсами для подключения к микропроцессорным системам управления.

В системах автоматизации схемы для согласования уровней напряжения на выходе микропроцессорного контроллера и на входе силового преобразователя и их гальванической развязки называют драйверами.

Основными узлами силовых преобразователей являются неуправляемые и управляемые одно- и трехфазные выпрямители и инверторы напряжения, преобразующие постоянное напряжение в переменное с частотой от нескольких герц до нескольких десятков и сотен килогерц. Инверторы выполняют на тиристорах, биполярных, полевых и IGBT транзисторах. Различные варианты перечисленных узлов будут рассмотрены далее.

Трёхфазные выпрямители

В трехфазном однотактном выпрямителе с активной нагрузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент времени работает вентиль фазы, напряжение которой является наибольшим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинаковый потенциал, практически равный потенциалу анода открытого вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вентилей отрицательны (рис. 9.1, а).

Точки а, b, с (см. рис. 9.1, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток вентилей.

В промежутке времени от а до б работает вентиль V1фазы а, так как напряжение фазы U_а при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V2фазы b, так как напряжение U_в становится наиболее положительным, и т. д.

U

U

в

с

U

c

а

в

U

a

I

н

,

U

н

-

π/

m

+

π

/

m

i

a

i

A

U

обр

U

о

(

I

о

)

ω

t

ω

t

ω

t

ω

t

ω

t

V1

V2

V3

а

в

с

-

+

а А В С б

i А

i_н iа

Rн

Uн

Рис. 9.1. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) трехфазного однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку

Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного напряженияπ/m

m m ^π

U₀  t exyl3LV6mSQP2mHDslBjR9uayvP+4gy8jjhuVunzsDufttevw/3b5y4lY27n0+YJVKQp/oXhB1/Q oRCmo7+wDao1II/EXxVvlSxBHSWTgC5y/R+9+AYAAP//AwBQSwECLQAUAAYACAAAACEAtoM4kv4A AADhAQAAEwAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAW0NvbnRlbnRfVHlwZXNdLnhtbFBLAQItABQABgAIAAAA IQA4/SH/1gAAAJQBAAALAAAAAAAAAAAAAAAAAC8BAABfcmVscy8ucmVsc1BLAQItABQABgAIAAAA IQBU6WekVAIAAMIFAAAOAAAAAAAAAAAAAAAAAC4CAABkcnMvZTJvRG9jLnhtbFBLAQItABQABgAI AAAAIQDj3Ok22QAAAAIBAAAPAAAAAAAAAAAAAAAAAK4EAABkcnMvZG93bnJldi54bWxQSwUGAAAA AAQABADzAAAAtAUAAAAA "> 2 π^Umax sinωtdt  _π U_max sin _m 1,75U₂. (9.1)

_ /m

Коэффициент пульсации

q _{ } 0,25. (9.2)

Однотактные трехфазные выпрямители применяют в выпрямителях средней мощности для питания электродвигателей постоянного тока малой и средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные обмотки трансформатора можно соединять только в звезду, позволяет соединять обмотки трансформатора, как в звезду, так и в треугольник. Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз.

Вентили в двухтактном трехфазном выпрямителе, называемом схемой Ларионова, работают попарно поочередно (рис. 9.2, а), как это показано на временных диаграммах (рис. 9.2, б).

Uн в

А В С

Рис. 9.2. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б) двухтактного трехфазного выпрямителя по мостовой схеме Ларинова и принципиальная схема (в), временные диаграммы (г) выпрямителя с уравнительным реактором.159

В любой рассматриваемый момент времени работает четный вентиль фазы, напряжение которой наиболее положительно, и нечетный вентиль фазы, напряжение которой наиболее отрицательно. Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, тосмена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.

При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямленное напряжение π/ m

m m ^π

U₀  s K217HKXctXqZJA/aYcOyUGNH25rK8/7iDLyOOG5W6fOwO5+216/D/dvnLiVjbufT5glUpCn+heEH X9ChEKajv7ANqjUgj8RfFW+VLEEdJZOALnL9H734BgAA//8DAFBLAQItABQABgAIAAAAIQC2gziS /gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBlc10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxzLy5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgA AAAhAO1GxtJWAgAAxAUAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9lMm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAG AAgAAAAhAOPc6TbZAAAAAgEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAAsAQAAGRycy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYA AAAABAAEAPMAAAC2BQAAAAA= "> 2 π^Umax sinωtdt _ U_max sin _m 1,35U_2л U_2ф , (9.3)

_ /m

где U_2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U_2Ф— фазное напряжение вторичной обмотки.

Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пульсации m = 2 (σ² - 1) =0,057.

Обратное напряжение U_обр = 1,045 U₀.

Среднее значение тока через вентиль I_ср=I₀/3.

Полная мощность трансформатора P_тр=1,05Р₀.

По всем показателям схема Ларионова превосходит рассмотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.

Для мощных выпрямителей необходимо учитывать индуктивное сопротивление рассеяния Х_L, которое вызывает уменьшение выпрямленного напряжения за счет длительности коммутации у,что следует учитывать при проектировании выпрямителей по схеме Ларионова и выбирать для нее силовой трансформатор с возможно меньшим индуктивным сопротивлением рассеяния X_L.

Рассмотрим схему с уравнительным реактором. В ней число фаз выпрямления, так же как и в схеме Ларионова, m = 6. Эта схема получила название «две обратные звезды с уравнительным реактором» (схема Кюблера).

Схема выпрямителя приведена на рис. 9.2, в. Она представляет собой два трехфазных выпрямителя со средней точкой, работающих параллельно через уравнительный реактор УР на общую нагрузку.

Питание схемы осуществляется через трехобмоточный трансформатор, на каждом стержне которого расположено по две одинаковые вторичные обмотки. При этом в выпрямителе 1 вторичные обмотки подключены к анодам вентилей началами, а в выпрямителе 2 обмотки подключены к анодам вентилей концами. В результате соответствующие фазные напряжения двух вторичных обмоток трансформатора смещены относительно друг друга на 180°.

Уравнительный реактор представляет собой катушку с замкнутым магнитопроводом, имеющую две обмотки, включенные, как показано на рис. 9.2, в.

Схема с уравнительным реактором имеет ряд достоинств по сравнению с мостовой схемой:

- вдвое меньше среднее значение тока вентилей и меньше его действующее значение;

- более высокий к. п. д. при малых значениях выходных напряжений, так как ток протекает последовательно только через один вентиль;

- удобное охлаждение вентилей, которые могут бытьустановлены на один общий охладитель.

Недостатками схемы являются ее сложность, более высокая установленная мощность оборудования, большее обратное напряжение на вентилях.

Схема с уравнительным реактором используется в преобразователях с большой величиной выходных токов (1000 А и выше).