Работа трехфазного мостового выпрямителя: принцип, схемы, характеристики

Рассматриваемый выпрямитель (рис. 4.26) широко используется в устройствах большой мощности.

Опишем работу выпрямителя при подключении его к активной (рис. 4.26, а) и активноиндуктивной (рис. 4.26, б) нагрузке. Изучаемый выпрямитель подобен рассмотренному однофазному мостовому, но получает питание от трехфазного источника напряжения, содержит 6 тиристоров, представляет собой достаточно сложную систему и вследствие этого более труден для анализа.

Так как тиристоры Th Т2 и Т3 соединены катодами, принято говорить, что они составляют катодную группу тиристоров. Тиоисторы 74, Т5 и Г6, соединенные анодами, составляют анодную группу.

В однофазном мостовом выпрямителе каждый тиристор может проводить ток в паре с единственным тиристором и таких пар всего две. В трехфазном мостовом выпрямителе каждый тиристор может проводить ток в паре с одним из двух тиристоров противоположной группы. К примеру, тиристор Г, может проводить ток или в паре с тиристором Г5, или в паре с тиристором Г6. Вследствие этого имеется 6 пар тиристоров, совместно проводящих ток нагрузки.

Основная трудность при анализе выпрямителя состоит в том, чтобы определить, какая пара тиристоров находится во включенном состоянии или может в нем находиться (т. е. может быть включена импульсами управления). Подобные проблемы типичны для всех электронных устройств, содержащих нелинейные и, в частности, работающие в ключевом режиме элементы. При анализе таких устройств очень полезно выявить их характерные особенности, сужающие круг возможных сочетаний режимов работы элементов и упрощающие определение токов и напряжений.

Укажем такие особенности для рассматриваемой схемы.

— Не могут быть включены два тиристора одной группы (так как их проводящее состояние обеспечило бы протекание под действием соответствующего линейного напряжения очень большого обратного тока одного из тиристоров, что невозможно для исправного прибора).
— Если имеется пара включенных тиристоров, то напряжение ивых равно определенному линейному напряжению, причем возможны 6 вариантов:

Например, при включенных тиристорах Г, и Т5 ивых = = иаЬ а при включенных тиристорах Т4 и Т2 ивых = — иаЬ

Пусть в некоторый момент времени при включенной одной паре тиристоров ивых = и{ Тогда не может быть включена другая пара, для которой ивых = и2ии2< и{ (иначе это соответствовалооы включению тиристора, находящегося под обратным напряжением, что невозможно). Отсюда следует, что в рассматриваемой схеме исключено скачкообразное уменьшение напряжения ивых (ордината точки временной диаграммы напряжения ивых не может совершать скачки вниз). Но скачкообразное увеличение напряжения ивых вполне возможно.

Второе следствие этой особенности рассматриваемого выпрямителя состоит в том, что в случае, когда все тиристоры непрерывно получают импульсы управления (и таким образом выполняют функции диодов), в некоторый момент времени во включенном состоянии будет находиться та пара приборов, которая обеспечит наибольшее значение напряжения ивых (иначе, по крайней мере, на одном тиристоре этой пары создавалось бы существенное прямое напряжение).

Если тиристоры работают в режиме диодов (или если анализируется неуправляемый трехфазный мостовой выпрямитель, кратко рассмотренный выше), для выявления включенных в заданный момент времени приборов достаточно:

1. по временным диаграммам выбрать из трех (uab, иЬс, иса) одно линейное напряжение, имеющее максимальное по модулю значение;
2. выделить в трехфазной схеме однофазную мостовую, питающуюся выбранным напряжением;
3. определить два прибора (из четырех), которые открываются выбранным напряжением.

Пример использования алгоритма.

Работа выпрямителя на активную нагрузку при нулевом угле управления. В рассматриваемом случае тиристоры выполняют функции диодов (и результаты анализа применимы также к неуправляемому выпрямителю). Рассмотрим временные диаграммы (рис. 4.27), характеризующие работу схемы. Через Um обозначено амплитудное значение линейных напряжений uab, иЬс, иса (общим обозначением всех линейных напряжений является иЛ). Ось абсцисс разделена на отрезки, каждому из которых присвоен номер, обозначаемый через л.

На временной диаграмме напряжения ивых для каждого отрезка указано совпадающее с ним линейное напряжение, а на временной диаграмме тока ieblx — совпадающий с ним ток включенной пары тиристоров. Обратимся к отрезку с номером 1. На этом отрезке максимальным по модулю является напряжение иЬс

Однофазный выпрямитель, питающийся напряжением иЬс, образуют тиристоры Т2, Г3, Г5, Т6. Так как иЬс < О, открыты тиристоры Т4 и Т5 причем аналогично выполняется анализ для других отрезков.

Частота пульсаций (частота основной гармоники пульсаций) напряжения ивых в 6 раз больше частоты напряжения питающей сети, что сильно облегчает их фильтрацию. Приведем основные соотношения, характеризующие рассматриваемый режим. Среднее значение Ucp выходного напряжения:

где U — действующее значение линейного напряжения.

Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на активную нагрузку

Угол управления а для каждого тиристора отсчитывается от момента включения соответствующего диода неуправляемого выпрямителя (по существу это справедливо и для рассмотренного однофазного мостового, и для других управляемых выпрямителей).
Как следует из последнего выражения, при а = 2л/3
Используя полученные выражения, изобразим регулировочную характеристику графически (рис. 4.28, сплошная линия).
Работа выпрямителя на активноиндуктивную нагрузку при угле управления я/3 рад (60 эл. град.) (рис. 4.29). При построении временных диаграмм предполагалось, что индуктивность LH достаточно велика и ток нагрузки практически постоянный. Регулировочная характеристика выпрямителя при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Наличие индуктивности обеспечивает режим непрерывного тока.

Отсюда следует, что при а = л/2, Ucp = 0. Дадим графическое изображение регулировочной характеристики (рис. 4.28, пунктир).

Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.2, а) можно рассматривать как со­единение двух трехфазных выпрямителей с нулевым выводом, у одного из которых диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную группу, а у другого диоды VD2, VD4, VD6 обра­зуют анодную группу. Трансформаторы у этих выпрямителей совмещены в один. При работе мостовой схемы ток проводят всегда два диода; один в анодной, а другой – в ка­тодной группе.

В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, по­тенциал которого по отношению к средней точке трансформатора выше (более поло­жительный) потенциала анода других диодов. В анодной группе проводит тот диод, по­тенциал, которого ниже (более отрицателен) по отношению к потенциалам катодов других диодов.

Например, в момент времени θ = θ₁ (рис. 2.2, б) в катодной группе про­водит диод VD1, в анодной – VD6.

Переход тока с диода на диод в обоих группах происходит в точках естественной коммутации К

1, К₂, К₃,…, А_1, А₂, А₃ и т.д. Порядок вступления диодов в работу соответствует их номерам (см. рис. 2.2, б). Таким образом, по отношению к нулевой точке трансформатора потенциал общих катодов из­меряется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей кривых фазных напряжений u_a, u_b, u_c.

Мгновенное выпрямленное напряжение u_d (рис. 2.2, г мостового выпрямителя равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, за­ключенным между верхней и нижней огибающими (рис. 2.2,

б). Из рис. 2.2, в видно, что пульсации выпрямленного напряжении u_d и тока i_d (см. рис. 2.2, a, при активной нагрузке ключ К замкнут) происходят с шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через диод показана на рис. 2.2, в, г, при ак­тивной нагрузке выпрямителя r_в и работе выпрямителя на обмотку возбуждения (см. рис. 2.2 в, штриховая линия). Обратное напряжение имеет форму, как в нулевой схеме, но в два раза меньшей амплитуды.

Ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает дважды за пе­риод в противоположных направлениях. В связи с этим в мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Форма первичного тока находится из условия компенсации магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток (см. рис. 2.2,

д) при соединении первичной обмотки в звезду. Выпрямитель при этом на­гружен на обмотку возбуждения. Расчетные соотношения для мостовой схемы нахо­дятся из общих формул (2.1 – 2.8), при m = 6. Численные значения соответствующих ве­личин приведены в таблице 1.1.

При сравнительном анализе трехфазной нулевой и мостовой схем можно сделать те же выводы, что и для соответствующих однофазных схем.

Улучшение гармонического состава кривых выпрямленного напряжения и сете­вого тока достигается в многофазных схемах выпрямления, используемых для машин большой мощности. На практике широко применяют двенадцатифазные схемы вы­прямления (m = 12), образованные последовательным или параллельным соединением двух мостовых выпрямителей.

2 .2.2. Мостовой управляемый выпрямитель трехфазного тока

Особенность работы управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол  момента подачи управляющих импульсов на тиристоры относительно точек естественной коммутации

и т.д. (рис.2.13,в).

Р. Рис. 2.13. Схема трехфазного мостового выпрямителя

Рис.2.14.Кривые выходного напряжения

П риXd = задержка вступления в работу очередных тиристоров создаёт задержку на такой же угол  моментов запирания проводящих тиристоров (рис.2.13, д). При этом кривые выпрямленного напряжения приобретают вид, показанный на рис.2.13, г. В кривой выпрямленного напряжения создаются «вырезки», вследствие чего среднее значение выпрямленного напряжения Ud уменьшается. Влияние изменения угла  на кривую Ud и среднее значение напряжения Ud показаны на рис. 2.14,а-г.

Анализ схемы выпрямления (рис.2.13) удобнее в начале провести без учета индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

Поскольку в трёхфазной мостовой схеме выпрямленное напряжение определяется линейным значением, кривая Ud на рис.2.14, а-г, как и на рис.2.13, г, состоит из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформаторов .

При изменении угла  в диапазоне от 0 до 60 (рис.2.14, а, б) переход напряжения Ud с одного линейного напряжения на другое осуществляется в пределах положительной полярности участков линейных напряжений. Поэтому форма кривой напряжения Ud и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузках.

При  60 вид кривой Ud зависит от характера нагрузки (рис.2.14, в, г). Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока. В случае активно-индуктивной нагрузки ток продолжает протекать через тиристоры и вторичные обмотки трансформатора после изменения полярности их линейного напряжения (рис.2.14, в, г), в связи с чем в кривойUd появляются участки линейных напряжений отрицательной полярности. При Ld=эти участки продолжаются до очередного включения тиристоров. Равенству площадей участков и условию

Ud =0 соответствует угол =90 (рис.2.14, г).

Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения Ud при Ld=. При активной нагрузке участки отрицательной полярности отсутствуют и в кривой Ud при  60 появляются нулевые паузы (штрихи на рис.2.14, в, г). Напряжению Ud=0 теперь будет отвечать значение угла =120.

Регулировочная характеристика, характеризующая зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла  при Ld=, может быть найдена усреднением кривой Ud на интервале

(рис.2.15)

(2.37)

т.е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке (Ld=0) на интервале 120    60 находят из выражения

. (2.38)

Кривые анодных токов тиристоров и токов обмоток трансформатора при

Ld= (рис.2.13, д,ж) отличаются от кривых соответствующих токов неуправляемого выпрямителя наличием отстающего фазового сдвига относительно напряжения    .

Рис. 2.15. Регулировочные характеристики

Кривая напряжения на тиристоре приведена на рис.2.13, ж. Амплитуда обратного напряжения, как и в неуправляемом выпрямителе, равна . Этой величиной определяется теперь не только обратное напряжение, но и возможное значение амплитуды прямого напряжения на тиристоре при регулировании угла .

На рис.2.16,а -д приведены временные диаграммы напряжений и токов управляемого выпрямителя с учётом коммутационных процессов, вызываемых индуктивными сопротивлениями в анодной цепи Xa.

Рис. 2.16. Временные диаграммы управляемого трехфазного мостового выпрямителя

Коммутационные процессы обусловлены переходом тока с тиристора, заканчивающего работу, на тиристор, вступающий в работу (рис.2.16,в) из той же тиристорной группы (анодной или катодной). Каждый такой коммутационный процесс начинается в момент подачи отпирающего импульса на очередной в порядке вступления в работу тиристор (рис.2.16,а). Коммутация токов продолжается в течение интервала и протекает аналогично, как в схеме неуправляемого выпрямителя. Во время коммутациинапряжение на нагрузке определяется полусуммой напряжений двух фаз с коммутирующими вентилями. Коммутационные падения напряжений сказываются на форме кривой напряжения Udи уменьшении его среднего значения на величину (рис.2.16,б). Расчёт среднего значения коммутационных падений напряжения производится так же, как и в неуправляемой схеме. Отличие состоит лишь в том, что напряжениеUx(рис.2.16,а) к моменту начала коммутации имеет отстающий фазовый сдвиг на уголотносительно точек естественной коммутации. С учётом сказанного, соотношения для рассматриваемой схемы принимают такой вид

(2.39)

(2.40)

; (2.41)

(2.42)

Подставив (2.42) в (2.40), получим выражение для Ux

.

Уравнение внешней характеристики

. (2.43)

Вид внешней характеристики соответствует рис.2.17

Рис. 2.17. Внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя

Управляемый мостовой трехфазный выпрямитель

В симметричной (полностью управляемой) мостовой схеме диоды VD1 – VD6 заменим на тиристоры VS1 – VS6 (см. рис. 2.2, a). Как и в трехфазной нулевой схеме при работе на активную нагрузку, мостовой выпрямитель может иметь два различных режима работы: режимы прерывистого и непрерывного тока. На рис. 4.2, а, б пред­ставлены кривые выпрямленного напряжения и тока для трех значений углов α. Из ри­сунка следует, что прерывистый ток в нагрузке протекает при α >π /3.

Для области не­прерывного тока  (α ) среднее выпрямленное напряжение равно:

.                          (4.3)

В выражении (4.3) производится интегрирование линейного напряжения за ин­тервал проводимости тиристора. В режиме прерывистого тока (α > π/З) мгновенное значение выпрямленного напряжения равно нулю при θ = π в соответствии с кривой вторичного напряжения трансформатора. Для этого случая имеем:

,                              (4.4)

предельным углом регулирования, при котором U_d = 0, является угол  α = 120°.

Для нормальной работы мостовой схемы необходимо подавать на управляющие электроды тиристоров импульсы шириной не менее 60° или сдвоенные импульсы, от­стающие друг от друга на указанный интервал (рис. 4.2, в, г). При запуске выпрями­теля импульс управления (например, при θ = θ₁) подается на тиристор VS1 катодной группы. Однако VS1 не включается, так как в анодной группе все тиристоры заперты.

Через промежуток, равный 60° (θ = θ₂), управляющий импульс поступает на тиристор VS2. Если в этот момент на управляющем электроде тиристора будут отсутствовать импульсы, VS2 не включится. В режиме прерывистого тока (см. рис. 4.2, a, б) также необ­ходимо подавать повторный управляющий импульс на соответствующий тиристор в противоположной группе. На рис. 4.2, в  показано положение импульсов для двух зна­чений углов управления.

При работе выпрямителя на обмотку возбуждения МПТ с большой индуктивно­стью ток нагрузки непрерывен во  всем диапазоне изменения α. В связи с этим среднее  выпрямленное напряжение может быть найдено по формуле (4.3).

Как уже указывалось, в мостовой схеме можно использовать только поло­вину тири­сторов катодной или анодной группы.  Полу­чающаяся при этом несим­метричная   (полууправляемая) мостовая схема имеет более простую систему управ­ления и мень­шую стоимость. На рис. 4.3 представ­лены кривые мгновенных вы­прямленных напряжений анодной (u_da), катодной (u_dk) групп тиристоров и результирую­щего напряжения (u_d) для случая, когда тиристоры VS1, VS3, VS5 – управляемые, а VS2, VS4, VS6 – неуправляемые (см. рис. 2.2, а). Коммута­ция тиристоров катодной группы происходит в моменты подачи управляющих импуль­сов, тиристоров анодной группы – в точках естественной коммутации К₁, К₂, К₃ и т.д.

Так же, как в симметричной схеме, при работе полууправляемого выпрямителя на активную нагрузку наступает режим прерывистого тока при . Средняя вели­чина выпрямленного напряжения определяется для областей прерывистого и непре­рывного тока одним выражением:

                                   (4.5)

Соотношение (4.5) показывает, что предельный угол регулирования, равен: α_м= 180°. Из рис. 4.3, б следует, что в полууправляемой схеме, по сравнению с полностью управляемой, кратность пульсаций выходного напряжения снизилась в два раза (m=3) и стала такой же, как в трехфазной нулевой схеме, что требует применения более мощ­ных и громоздких фильтрующих элементов. Поэтому наиболее целесообразно исполь­зовать полууправляемую схему для регулирования выходных параметров МПТ в не­больших пределах. Регулировочная характеристика выпрямителя с неполным числом тиристоров не зависит от характера нагрузки и при работе его на обмотку возбуждения машины также описывается выражение
м (4.5).

Преимуществом полууправляемой мостовой схемы являются меньшая реактив­ная мощность, потребляемая из сети.

Для сравнительной оценки выпрямительных схем рассмотрим их регулировочные харак­теристики (рис. 4.4). При работе на обмотку возбуждения или якорь с большой индуктивностью среднее выпрямлен­ное напряжение всех схем является косинусоидальной  зависимо­стью от угла регулирования α. Вид ре­гулиро­вочных характеристик можно изме­нять в зависимости от способа управ­ления выпрямителем, а также пу­тем введения различных обратных свя­зей.

Режим прерывистого тока в на­грузке наступает при тем больших уг­лах управления, чем больше фаз­ность выпрямителя (m). Существенным недос­татком выпрямителей с естест­венной коммутацией тиристоров является зна­чительное потребление из сети реактив­ной мощности при глубоком регулировании угловой скорости и мо­мента электриче­ской машины.