Фазные токи трансформатора и вентилей

Будем анализировать режим нагрузки выпрямителя, в котором на стороне выпрямленного напряжения последовательно с сопротивлением нагрузки включена индуктивность сглаживающего дросселя с параметрами

В интервале между периодами коммутации ток, протекающий через вентили и в фазе трансформатора остается неизменным, равным . Используя данное свойство, а также зная моменты отпирания и запирания отдельных вентилей, можно построить кривые фазных токов и токов, проходящих через вентили за весь период (или произвольное число периодов).

На рис.3.9 изображено построение кривой тока в фазе В трансформатора. В верхней части рисунка показаны кривые фазных ЭДС трансформатора и кривые потенциалов положительного и отрицательного полюсов на стороне выпрямленного тока.

Кривая тока в фазе В строится следующим образом.

В момент времени 1 отпирается вентиль VD3 (рис.3.1), который в интервале коммутации проводит ток вместе с вентилями VD1 и VD2. Ток, протекающий через VD3 и фазу В трансформатора, в течение времени коммутации нарастает по синусоидальному закону, определяемому соотношением (3.7). По истечении этого времени, равного (точка 2), этот ток достигает величины . Ток, протекающий через вентиль VD1 и фазу А трансформатора (не показан на рисунке) в это же время спадает от величины до нуля. И в момент времени 2 вентиль VD1 закроется. До отпирания очередного вентиля в этой группе выпрямленный ток будет протекать через два вентиля VD3 и VD2.

Интервал, в течении которого через вентиль VD3 и фазу В будет течь полный выпрямленный ток (до точки 3), равен . В течение этого интервала в другой группе вентилей (нижние кривые) произойдет коммутация тока с фазы С на фазу А, однако в рассматриваемой фазе В какого-либо изменения тока при этом не произойдет.

 

Рис.3.9 Построение кривой фазного тока

 

В момент времени 3 отпирается вентиль VD5. Ток, протекающий через вентиль VD3 и фазу В, будет спадать по синусоидальному закону, определяемому соотношением (3.6). В точке 4 ток фазы станет равным нулю. Ток в фазе С (не изображенный на рисунке) в этот момент достигнет величины . В интервале

() фаза В не соединена ни с положительным ни с отрицательным полюсом, и ток через нее не протекает.

В момент времени 5 отпирается вентиль VD6; фаза В соединяется с отрицательным полюсом, и через нее начинает протекать ток в противоположном направлении. Процесс в отрицательный полупериод развивается по тем же законам, что и в положительном полупериоде с той лишь разницей, что ток в фазе имеет противоположный знак. После окончания отрицательного полупериода процесс повторяется.

Кривая тока фазы В расположена в нижней части рис.3.9. Часть этой кривой, лежащей выше оси абсцисс, изображает ток, проходящий через вентиль VD3; вторая часть, находящаяся ниже оси абсцисс – ток, проходящий через вентиль VD6.

Из рассмотрения этих кривых следует, что через каждый вентиль течет прерывистый ток. Каждый период вентиль пропускает ток в течение , а в остальную часть периода вентиль тока не проводит.

 

3.7. Коэффициент мощности и мостового выпрямителя

Периодическая кривая тока в фазе трансформатора, показанная на нижней части рис.3.9, имеет вид криволинейной трапеции на полупериоде переменного тока. Синусоидальные (криволинейные) боковые стороны трапеций обычно «спрямляют», при этом кривая тока приобретает вид обычной равносторонней трапеции. Разлагаем эту кривую на синусоидальные составляющие, то есть представляем ее рядом Фурье. Синусоидальные составляющие периодической функции называются гармоническими, или гармониками.

Синусоидальная составляющая периодической кривой тока с периодом основной частоты сети называется первой или основной гармоникой тока, ее обозначим , а общий ток фазы (его действующее или среднеквадратичное значение) обозначим как .

Среднеквадратичное значение тока при спрямленных боковых сторонах трапеции и полном сглаживании тока на внекоммутационных участках определяется формулой

 

Если мощность на входе выпрямителя приравнять мощности на его выходе, то есть записать

 

то получим выражение коэффициента мощности в виде:

 

 

здесь – мощность на выходе, – полная мощность на входе. Принимаем также, что активная мощность на входе равна мощности на выходе, ввиду пренебрежения потерями.

Разложение трапецеидальной кривой тока в гармонический ряд дает:

 

где - порядковый номер гармоники. При имеем первую гармонику; гармоники называются высшими гармоническими. Частота гармонических составляющих тока . Для действующего значения тока первой гармоники получено выражение:

 

 

Первая гармоника тока отстает по фазе от ЭДС Е фазы точно на угол .

Так как фазометры измеряют расхождения фаз синусоидальных величин напряжения и тока, то они, следовательно будут показывать косинус угла . Также и ваттметры будут определять входную мощность по первой гармонике, то есть показывать величину активной мощности

 

 

где – эффективное значение первой гармоники фазного тока. Приравнивая мощности

 

найдем действительную величину коэффициента мощности, как

 

Отношение

 

называют коэффициентом искажения тока.

Появление высших гармоник тока оказывает вредное воздействие на сеть: замыкаясь по линиям, связывающим источник мощности (генератор) и нелинейный потребитель (выпрямитель) высшие гармоники тока вызывают добавочные потери мощности в питающей сети и в других потребителях и создают помехи в работе радиоэлектронной техники.

 

Обратное напряжение

Существенное значение для выбора вентилей схемы выпрямления имеет обратное напряжение.

Под обратным напряжением понимается напряжение анода вентиля относительно его катода в ту часть периода, когда вентиль не пропускает тока, то есть оказывается закрытым. Таким образом, обратное напряжение

где – потенциал анода вентиля и – потенциал его катода, отсчитываемый относительно нейтрали трансформатора.

Если пренебречь прямым падением напряжения в вентиле, то в интервале открытого состояния (пропускания тока) , и следовательно обратное напряжение равно нулю.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления где две группы вентилей: катодная, у которой объединены все катоды, присоединенные к положительному полюсу выпрямителя (для этой группы ), и анодная, у которой все аноды присоединены к отрицательному полюсу (для этой группы вентилей .

Что касается анодов вентилей катодной группы и катодов вентилей анодной группы, то эти электроды соединены с концами соответствующих фаз трансформатора А, В, С, и потенциал их всегда равен потенциалу указанных точек. Следовательно, обратное напряжение на любом из вентилей всегда равно разности между потенциалом одного из полюсов и потенциалом конца соответствующей фазы трансформатора, к которой присоединен рассматриваемый вентиль.

Рассмотрим в качестве примера, как образуется обратное напряжение на вентиле VD1, включенном в схему выпрямления. На рис.3.10,а. изображены синусоиды фазных напряжений такого выпрямителя и жирной линией показана кривая потенциала положительного полюса, относительно нулевой точки трансформатора. К этому полюсу присоединяется катод вентиля VD1. Следовательно, эта кривая является кривой изменения потенциала на катоде вентиля VD1. Анод вентиляVD1 соединен с катодом фазы А, поэтому потенциал конца этой фазы будет равен потенциалу анода вентиля VD1, а разность между потенциалом анода и дает обратное напряжение на вентиле.

Потенциал конца фазы А на рис.3.10 также обведен жирной линией. От точки 0 до точки 7 этот потенциал отрицателен, а от точки7 до точки 8 – положителен. Вентиль VD1 закрывается в точке 0( и открывается вновь в точке 8. Продолжительность интервала существования обратного напряжения на вентиле, как видно из рис.3.10, равна . Потенциал фазы А (потенциал анода вентиля VD1) в интервале, когда через эту фазу не проходит никакого тока или проходит ток , равен ЭДС (так как постоянный ток не вызывает никакого падения напряжения на сопротивлении фазы .

В период коммутации фазы А напряжение на ее обмотке равно , где – ЭДС фазы, коммутирующей с фазой А. На рис.3.10, б изображена кривая обратного напряжения на вентиле VD1, полученная как разность потенциалов . Как видно, на вентиле VD1 в момент запирания возникает скачок обратного напряжения

 

Наибольшее возможное значение обратного напряжения на вентиле равно, таким образом амплитуде линейного напряжения .

 

 

Рис.3.10 Построение кривой обратного напряжения

Часть II ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Автономная электроэнергетическая система с нагрузкой в виде вентильного привода постоянного тока (выбор варианта задания Приложение С)

Исходные данные

ГЕНЕРАТОР:

МСК -625-1500 = 625 кВА;

= 380 В;

=0,85;

= 0,23.

ДВИГАТЕЛЬ:

Д-816 = 150 кВт;

440 В

= 0,9;

= 480 (490) об/мин.

Студент ведет расчет, согласно варианту задания (Приложение А, данные СГ и ДПТ).

Силовая схема и схема замещения системы преобразователя приведены на рисунке 2. Вместо трехфазного трансформатора может быть установлен трехфазный реактор .

а) б)

Рис.2. Схема вентильного электропривода (а) и схема замещения (б) мостового преобразователя