Влияние сопротивления трансформатора на работу выпрямителя

На входе выпрямителя, как правило, установлен трёхфазный трансформатор с объединенной магнитной системой, у которого обмотки расположены на трех стержнях.

В таком трансформаторе, вследствие различия магнитных сопротивлений для разных фаз намагничивающие токи фазных обмоток не равны между собой: токи крайних фаз (I_ОА и I_ОС) больше тока средней фазы (I_ОВ). Это приводит к нарушению фазовой симметрии (углы сдвига отличаются от 120 градусов). Для уменьшения магнитной асимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение верхнего и нижнего ярма делают на 10…15% больше, чем стержня. Однако, асимметрия всё равно остаётся и влечёт асимметрию фазных напряжений.

Напряжение в фазе В больше напряжения других фаз из — за снижения потерь в магнитопроводе, а векторы фазных напряжений А и С имеют отклонения относительно симметричной магнитной системы на угол α.

Асимметрия фазных напряжений приводит к искажению формы выпрямленного напряжения, изменению уровня среднего напряжения на выходе выпрямителя и появлению низкочастотных составляющих пульсаций, что снижает качественные показателя выходного напряжения.

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:

На рисунке изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.

На интервале [t₁;t₂] положительный потенциал фазы U₁ проводит диод VD1, при этом в дросселе L_н накапливается реактивная энергия .

На интервале [t₂;t₃] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U₁ (такой режим называется инверторным). Происходит затягивание тока вентиля. Задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод VD₂, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U₁ ток протекает по контуру:

Предположим, что при прохождении напряжения U₁ через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U₁.

На интервале t_зар U₁>U_С и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале t_раз, когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из- за уменьшения постоянной цепи разряда t_раз =R_НС. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева – метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль. Вводят коэффициент А=f(q), где q — угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Расчет параметров U_обр, I_аср, I_ад, U₂, I₂ выполняют через вспомогательные коэффициенты: В, С, D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале q. При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности (СÞ¥ ), а пороговое напряжение диода равным нулю. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока: (1)

, (2).

Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для U_d.

На интервале 2q ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cosq, получим: .

Схема удвоения напряжения

Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁ ≈ U_2m , а напряжение на нагрузке U ≈ 2U_2m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора.

Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является то, что нагрузка имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.

В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так:

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.

Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение — напряжение на нагрузке U ≈ 6U_m2 . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.

Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия вследствие большого числа перезарядов.

Более высоким КПД обладают бестрансформаторные высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом n штук накопительных конденсаторов С₁.

Управляемые зарядный и разрядные ключи К_з и К_р работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С₁ параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи К_р. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.

1. Принципы построения выпрямителей. Критерии качества выпрямленного напряжения.

2. Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного).

3. Поясните принцип действия однофазного выпрямителя со средней точкой трансформатора.

4. Поясните принцип действия трехфазного мостового выпрямителя.

5. Поясните принцип действия трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.

6. Поясните принцип действия многопульсного выпрямителя.

7. Влияние различных видов нагрузок на работу выпрямителей: активно – индуктивная и емкостная нагрузки.

8. Поясните внешнюю характеристику выпрямителя.

9. В каких схемах выпрямления через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая выпрямленного тока и как это влияет на работу трансформатора?

10. Проведите сравнительный анализ двух схем: трехфазной схемы с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы.

11. Проведите сравнение внешних характеристик для трехфазной мостовой и трехфазной схемы с нулевым выводом.

12. Покажите, что с увеличением пульсности выпрямителя величина выходного напряжения возрастает.Чему равен предел lim U ?

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

При рассмотрении различных схем выпрямления предполагалось, что нагрузка имеет только активное сопротивление. Практически выпрямительные устройства редко работают на чисто активное сопротивление, так как в большинстве случаев их дополняют электрическими фильтрами, содержащими индуктивные и емкостные звенья. Иногда сама нагрузка содержит элементы с индуктивностью (обмотки реле, дроссели и т. п.). Выпрямительные устройства могут также работать на встречную э. д. с., например при заряде аккумуляторных батарей. Возможна также работа выпрямительных устройств на смешанную нагрузку, состоящую из активного сопротивления, индуктивности и емкости.

Работа выпрямительного устройства на встречную э. д. с. В схеме (рис. 231, а) для регулирования зарядного тока последовательно с батареей Є В включен реостат В.

На рис. 231, б изображена кривая напряжения м₂ на зажимах вторичной обмотки трансформатора Т. Напряжение ио на выходе выпрямительного устройства при отключенной батарее и э. д. с. Е батареи показаны на рис. 231, в штриховыми линиями. Кривая выпрямленного напряжения при включенной батарее показана сплошной линией. Пульсация выпрямленного напряжения при наличии встречной э. д. с. становится тем меньше, чем больше э. д. с. Е батареи.

В течение времени — і₂, когда напряжение вторичной обмотки трансформатора становится больше э. д. с. батареи, ток проходит от точки а, имеющей положительный потенциал, через вентиль VI, батарею СВ, реостат и вентиль УЗ к точке б, имеющей отрицательный потенциал. Кривая этого тока г_в1 — і_в3 показана на рис. 231, г.

В течение времени /₃ — /₄, когда изменится полярность точек а и б, а ы₂ > Е, ток проходит от точки б через вентиль У2, батарею СВ, реостат В и вентиль У4 к точке а. Кривая тока г_в2 — і_ві показана на рис. 231, д, кривая выпрямленного (зарядного) тока і — на рис. 232, е.

Таким образом, токи через вентили проходят не в течение половины периода, как при активной нагрузке однофазной мостовой схемы, а только в течение части полупериода. С увеличением э. д. с. время прохождения этого тока уменьшается. Длительность прохождения тока через вентиль характеризуется углом отсечки 0. Углом отсечки называют половину времени прохождения тока через вентили, выраженную в угловом измерении. При работе однофазных схем на встречную э. д. с. зарядный ток батареи имеет прерывистый характер, т. е. возникает отсечка зарядного тока.

На рис. 231, ж изображена кривая тока і₂ вторичной обмотки транформатора Т. Эта же кривая, но в другом масштабе изображает форму тока первичной обмотки (если пренебречь током холостого хода трансформатора).

Работа выпрямительного устройства на нагрузку емкостного характера. Такой режим работы имеет место при использовании кон-

Рис. 231. Схема выпрямителя, работающего на встречную э. л. с. (о), и диаграммы напряжений и токов п мостовой схеме, работающей на встречную э. д. с. (б -ж)

денсаторов в качестве первого элемента сглаживающего фильтра (рис. 232, а).

Кривая напряжения ио на выходе выпрямительного устройства при отключенном конденсаторе С показана на рис. 232, б. Конденсатор, включенный параллельно нагрузке, заряжен. Его влияние на работу выпрямительного устройства аналогично встречной э. д. с. Разница заключается в том, что напряжение и_с на конденсаторе во время его заряда и разряда не остается постоянным, как это имеет место с батареей аккумуляторов. В интервалах времени А — ?₂ и — /₄ конденсатор заряжается, а напряжение и_г на конденсаторе за это время увеличивается. В интервалах времени — /₄, ?₂— і з и — /₅ конденсатор разряжается на нагрузку и его напряжение падает. Чем больше емкость конденсатора и сопротивление нагрузки, тем больше форма кривой напряжения и_с приближается к прямой линии.

В интервале времени А — ?₂, когда и’о > и_с, через вентили VI и КЗ проходит ток ?_В1 = ?_в3 (рис. 232, в). Этот ток питает нагрузку и заряжает конденсатор током і_с3. Аналогично этому в интервале времени /₃ — /₄ через вентили К2 и Х’4 проходит ток г’_в2 = (_в4 (рис. 232, г).

На рис. 232, д показаны кривые выпрямленных напряжений м„ — и,, и тока г = и1г в цепи нагрузки.

Работа выпрямительного устройства на нагрузку индуктивного характера. При индуктивном характере нагрузка имеет активное сопротивление г и индуктивность /1 (рис. 233, а). На рис. 233, б изображены кривые выпрямленного напряжения «о и тока г’6» когда однофазная мостовая схема работает только на активное сопротивление. При наличии индуктивности режим работы схемы изменяется. Из электротехники известно, что изменение тока в цепи с индуктивностью приводит К появлению Э. Д. С. самоиндукции = -/. При возрастании тока индуцируемая э. д. с. направлена навстречу току, т. е. препятствует его увеличению. Когда ток начинает уменьшаться,

Рис. 233. Схема выпрямителя (а) и диаграммы напряжений и токов в однофазной мостовой схеме, работающей на нагрузку индуктивного характера (б, в)

э. д. с. самоиндукции имеет такое же направление, как и ток, г. е. поддерживает его. Благодаря этому ток в цепи нагрузки с индуктивностью (рис. 233, в) не уменьшается до нуля, а изменяется более плавно. При постоянной индуктивности формы кривых выпрямленного напряжения «о = 1г и тока г одинаковы.

Процесс коммутации оказывает влияние на формы кривых выпрямленного напряжения u_d и токов /j и /₂ в обмотках трансформатора. Это сказывается на среднем значении и на гармоническом составе выпрямленного напряжения, а также на гармоническом составе тока, потребляемого из сети. Следует сразу же отметить, что по сравнению со случаем идеализированного выпрямителя с мгновенной коммутацией, при реальных процессах коммутации изменяются лишь амплитуды и фазы гармоник в кривых u_d и i_d. Порядок гармоник сохраняется.

На интервале коммутации (см. рис. 11.14) диодов VD и VD3 потенциал точки «—» определяется фазой с благодаря наличию проводящего диода VD2. Потенциал же точки «+» формируется с участием напряжений двух фаз а и b в короткозамкнутом контуре, содержащем два проводящих диода VD и VD.3. В результате потенциал точки «+» определяется полусуммой напряжений фаз, участвующих в коммутации: 0,5(и_а + и_ь). На интервале угла коммутации у происходит уменьшение выпрямленного напряжения. Это сказывается и на среднем значении выпрямленного напряжения:

где AU^ — среднее значение коммутационного снижения напряжения.

Величину Д?Л находим усреднением коммутационных площадок за период повторяемости выпрямленного напряжения тг/З:

Выражение в скобках определим из уравнения коммутации (11.59). Тогда уравнение (11.60), являющееся внешней характеристикой выпрямителя, получит вид:

Здесь— соответственно индуктивности питающей сети, рассеяния первичной и вторичной обмоток трансформатора, к_т — коэффициент трансформации.

Для нулевой шестипульсовой схемы выпрямления

где L_a — приведенная к вторичной стороне суммарная индуктивность фазы, индуктивность трансформатора при этом вычисляется из опыта короткого замыкания, когда напряжение подводится к первичной стороне и замыкается только одна из вторичных звезд.

Для двенадцатипульсовой схемы последовательного типа

где L_a — определяется с учетом работы вторичной обмотки, соединенной звездой;

Индуктивность трансформатора, входящую во все выражения с учетом коммутации, практически определяют по напряжению короткого замыкания и_к трансформатора при номинальном значении первичного тока /_1ном

где — относительное напряжение короткого замыкания трансформатора, выраженное в процентах.

Коммутация выпрямителя обуславливает формирование внешней характеристики с наклоном, пропорциональным току нагрузки I_d и анодной индуктивности.