Управляемые выпрямители трёхфазная нулёвка

Оглавление 

Введение

Управляемые выпрямители нашли широкое применение в автоматизированных электроприводах  постоянного и переменного токов. В электроприводах постоянного тока они используются для питания якорных цепей и обмоток возбуждения электрических машин. В электроприводах переменного тока управляемые выпрямители применяются в качестве источников питания преобразователей частоты со звеном постоянного тока, а также на их базе выполняются ведомые инверторы для вентильных электродвигателей и преобразователи частоты с непосредственной связью с питающей сетью для асинхронных и синхронных электродвигателей.

Основной  частью управляемого преобразователя  является тиристор, выполняющий роль электрического ключа, пропускающий ток при малом падении напряжении в проводящую часть периода времени и запирающего цепь тока в непроводящую часть периода. На практике чаще всего в управляемых преобразователях используются полу управляемые тиристоры.

В зависимости  от числа фаз источника переменного  тока различают выпрямители: однофазные, трехфазные, шестифазные и т.д. В  зависимости от того, проходит ли ток  к вентильной обмотке трансформатора только в одном направлении или  в обоих направлениях, различают нулевые (однополупериодные, однотактные) и мостовые  (двухполупериодные, двухтактные) схемы. Преобразователи, содержащие в своем составе только тиристоры, называются симметричными, а содержащие тиристоры и диод – не симметричными.

Для изменения направления тока в реверсивных электроприводах применяют двух комплектные преобразователи.

Исходные  данные

Нагрузка: двигатель постоянного тока типа 2ПН-180М

Допустимый  ток (момент) перегрузки двигателя или  кратность уставки токоограничителя I_max/I_н=2.5

Питающая  сеть 3-х фазная: U_c=380 В, f_c=50 Гц, m_c=3

Допустимая  величина отклонения напряжения сети:

Напряжение  короткого замыкания трансформатора  

В данной расчётной работе для питания  двигателя с номинальным напряжением U_н=440 В используем трёхфазную мостовую схему выпрямления с трансформатором, с группой соединения обмоток Y/Y.

Схема выпрямителя представлена на рис. 1 

Рис.1 трёхфазная мостовая схема выпрямления 

с группой  соединения обмоток Y/Y, с трансформатором

Временные диаграммы токов и напряжений представлены на рисунке 2: 

Рис.2 Временные  диаграммы токов и напряжений 

 В  трехфазном мостовом выпрямителе  последовательно соединены две  трехфазные тиристорные группы: катодная VS11, VS13, VS15 и анодная VS12, VS14, VS16, каждая из которых повторяет работу трехфазного нулевого выпрямителя. Одновременно проводят ток два тиристора: один из катодной группы, другой– из анодной. Например, на интервале δ₁<ωt<δ₂  ток пропускают тиристоры VS11, VS16, на интервале   δ₂<ωt<δ₃ – тиристоры VS11, VS12, на интервале δ₃<ωt<δ₄ – тиристоры VS12, VS13 и т.д. Каждый тиристор пропускает ток на интервале 2π/3, причем в первую половину этого интервала с одним тиристором, вторую – с другим. 

Для расчёта  установленной мощности трансформатора определим вначале действующее значение фазной ЭДС его вторичной обмотки Е2, необходимое для получения номинального напряжения на нагрузке (Номинальное напряжение двигателя U_н=440 В). Для этого используем соотношение

В случае трёхфазной мостовой схемы это выражение преобразуется к виду:

Действующие значения токов первичной и вторичной  обмоток трансформатора:

Расчётная мощность трансформатора:    

Используя эмпирическую формулу, можно определить сечение стержня Q_T трёхфазного трансформатора и, следовательно, его габариты

ЭДС одного витка

Соответственно  число витков вторичной отмотки:

Число витков первичной обмотки: 

Коэффициент трансформации:

Так как  коэффициент трансформации примерно равен единице, то лучше использовать трёхфазную мостовую схему выпрямителя с токоограничительными анодными реакторами. Схема выпрямителя представлена на рис. 3

Рис. 3 трёхфазная мостовая схема выпрямления

с токоограничительными анодными реакторами 

Среднее значение максимального анодного тока вентилей:

По каталогу завода «Электровыпрямитель» (г. Саранск) подбираем наиболее близкий по среднему току тиристорный двухключевой модуль типа МТТ-40.

Для выбора класса тиристоров определяем величину максимального (амплитудного) анодного напряжения, воздействие которого могут испытывать вентили в рассматриваемых схемах.

При двойном  запасе по напряжению будет достаточно тиристоров типа МТТ-40 класса. 

Анализ  аварийного тока при  К.З. в цепи нагрузки

Используя действующее значение номинальной  ЭДС и ударного тока тиристоров I_уд, находим сопротивление анодных реакторов 
 

Для выбранных  тиристорных модулей типа МТТ-40 .

Отсюда,

Индуктивность анодных реакторов равна:

ток короткого  замыкания в общем случае состоит  из периодической и апериодической составляющих и определяется выражением 

 А

Для выбранных  типов транзисторов допустимое для  них значение ударного тока оказывается меньше возможного значения . Поэтому вместо МТТ-40 возьмем МТТ-80. 

Сеточная  защита с такими приборами, запирая тиристоры после появления первого ударного импульса тока. Всегда будет обеспечивать надёжную защиту преобразователя и в аварийном режиме.

Графики зависимости угла коммутации от среднего значения выпрямленного  тока

В таблице  представлены результаты расчёта угла для шести значений углов и двух значений токов нагрузки . Угол определяет время, необходимое для восстановления запирающих свойств низкочастотных тиристоров после снижения анодного тока до нуля. По каталогу это время выключения , которому соответствует угол

Из таблицы  следует, что  , 23.36

По данным таблицы строим график зависимости  угла коммутации от значения угла регулирования при токе нагрузки

Внешние характеристики управляемого выпрямителя

Внешние характеристики представляют собой  зависимости среднего значения выпрямленного  напряжения выпрямленного тока при фиксированном значении угла регулирования . При форма внешней характеристики УВ совпадает с характеристикой неуправляемого выпрямителя.

Режим прерывистого тока

Среднее значение прерывистого тока в относительных единицах:

Где

Выражение для расчёта выходного напряжения УВ в режиме прерывистого тока:

Для значений , и имеем

Для значений , и имеем

Для значений , и имеем

Табличные данные приведены в относительных (безразмерных) единицах. Чтобы выполнить графическое построение характеристик в осях с размерностями ( нужно умножить табличную величину на базовую, для тока , т.е. 

Для напряжения  

В режиме прерывистого тока внешние характеристики УВ имеют круто падающую нелинейную форму. Это отрицательно сказывается на работе вентильного электропривода. Обычно стремятся ограничит зону прерывистого тока значением 0.1 , включая последовательно с якорем двигателя сглаживающий дроссель. Индуктивность дросселя  рассчитывается для случая, когда  по формуле: 

Для нашего случая  

Установка сглаживающего дросселя позволяет  снизить амплитуду пульсаций  тока и улучшить использование двигателя. Однако, это не слишком дешёвый способ технической оптимизации.

Режим непрерывного тока

При р.п.т. заканчивается и с дальнейшим увеличением значение выпрямленного напряжения определяют как сумму средних значений от мгновенных составляющих.

За период повторяемости 

Первое слагаемое  в квадратных скобках подынтегрального выражения

Среднее за интервал значение падения напряжения на анодных индуктивностях

Тогда выражение  для внешней характеристики УВ в  режиме непрерывного тока

В отличие  от неуправляемого в УВ получаем не одну, а бесчисленное семейство внешних  характеристик, каждая из которых соответствует  определённому значению угла .

На рис.5 изображены внешние характеристики в режиме прерывистого тока: 

Рис.5

внешние характеристики УВ 
 
 
 

Регулировочные  характеристики УВ

Однозначная зависимость величины выходного  напряжения (э.д.с.) управляемого выпрямителя E_d от угла регулирования имеет место лишь в режиме непрерывного тока и определяется в относительных единицах выражением  

.

В режиме прерывистого тока эта зависимость становится многозначной и не может быть представлена аналитически в явном виде. Однако, возможно графическое построение частных кривых из бесчисленного семейства регулировочных характеристик, соответствующих, например заданному значению э.д.с. двигателя Е.

Для определения  среднего значения выпрямленного напряжения и угла регулирования при меняющихся значениях снова воспользуемся выражениями (21) и (22). Задаваясь величиной из (21), можем найти значение для выбранного значения .

Подставляя полученное из этого выражения значение в (23), находим значение выходного напряжения для тех же значений остальных параметров силовой схемы УВ. Следует заметить, что с помощью (21) можно определить и максимально возможную величину при которой реализуется граничное значение прерывистого тока ( ).

Результаты  расчётов по выражениям (28) и (23) для m=6,

, , ) и представлены в таблицах 8, 9, 10 и 11.

Табл.8

0.8

Табл.9

Табл.10

Табл.11

По полученным зависимостям строим регулировочные характеристики (рис. 6).

Рис.6

Регулировочные  характеристики УВ

Система импульсно – фазового управления «Вход-Выход» УВ

Система импульсно-фазового управления (СИФУ) – система, преобразующая управляющий сигнал (аналоговый или цифровой) в отпирающие для тиристоров импульсы, фаза которых регулируется в функции этого сигнала.

Функциональная  схема СИФУ изображена на рис.7.

Рис.7

На схеме  рисунка 7 условно обозначены:

Ф – фильтр

ПЭ –  пороговые элементы

ФСИ – формирователь  синхронизированных импульсов

ГПН – генератор  пилообразного напряжения

НО –  нуль-орган

УО –  управляющий орган

ФДИ – формирователь  длительности импульсов

& - логические элементы И

Принцип действия СИФУ

С помощью фильтра синхронизированное напряжение на его выходе запаздывает относительно входного напряжения (фазного) на 30 градусов. Принципиальная схема фильтра представлена на рис.8

Рис.8

Выходное  напряжение фильтра проходит в точках естественного зажигания тиристора. В момент прохождения выходного напряжения фильтра через нуль, переключаются пороговые элементы ПЭ1 и ПЭ2. Принципиальная схема ПЭ1 и ПЭ2 показаны на рис.9 и 10 соответственно.  
 
 

Рис.9

Рис.10 
 
 

Формирователь синхронизированных импульсов по заднему фронту полуволны формирует прямоугольный импульс.

Принципиальная  схема ФСИ изображена на рис. 11

Рис.11 

В генераторе пилообразного напряжения при отсутствии управляющего импульса напряжения заряжается ёмкость С, в момент прохождения  управляющего прямоугольного импульса эта ёмкость разряжается. Принципиальная схема ГПН показана на рис.12

Рис.12

На входе  нуль-органа сравниваются два напряжения: с выхода управляющего органа (УО) и  ГПН. В точках равенства этих сигналов нуль-орган переключается, при этом формируется передний фронт импульса.

Принципиальная  схема нуль-органа представлена на рис.13

Рис.13

ФДИ обрезает спереди прямоугольный импульс  на выходе с НО, оставляя лишь переднюю часть. Принципиальная схема ФДИ  представлена на рис.14

Рис.14

Напряжение ФДИ подаётся на логический элемент И-НЕ, на второй вход – напряжение с ПЭ1 и ПЭ2. Эти импульсы усиливаются и с помощью импульсного трансформатора подаются на тиристоры (рис15.).

Рис.15 

Высшие  гармонические напряжения и токи на выходе УВ

Выпрямленная э.д.c. УВ содержит две составляющие: постоянную, равную её среднему значению E_d, и переменную, определяемую суммой высших гармонических. Кривая выпрямленной э.д.с. представляет собой периодическую функцию, которая может быть разложена в тригонометрический ряд Фурье:

где - амплитуда высшей гармонической э.д.с.

- фазовый угол  к-й гармоники,

k = 1, 2, 3, ... номера  гармоник.

Каждую из составляющих (гармонику) выразим в  свою очередь через амплитуды гармонических составляющих синусоидального и косинусоидального рядов:

При этом  

                                                                                                               (31)

Если учитывать, что

                             (32)

то, подставив (32) в (31) и произведя интегрирование на интервале дискретности , получим: