Проектирование схемы трехфазного регулируемого выпрямителя

Ведение

Управляемые (регулируемые) выпрямители

Регулируемыми выпрямителями называются преобразовательные устройства, совмещающие функцию выпрямления переменного напряжения с регулированием (или стабилизацией) напряжения на нагрузке. Простейшие схемы регулируемых выпрямителей образуются из соответствующих схем нерегулируемых выпрямителей при полной или частичной замене полупроводниковых выпрямительных диодов тиристорами.

Наиболее эффективная схема трехфазного регулируемого выпрямителя, обладающего высокой экономичностью и сравнительно небольшими массогабаритными показателями сглаживающего фильтра, приведена на рис. 1. Мостовая схема на рис. 1, содержит три тиристора с объединенными катодами и три диода с объединенными анодами («+» диода).

В схемах трехфазных выпрямителей диод VD4, как и в случае однофазных выпрямителей, служит для обеспечения электрической цепи, по которой энергия, накопленная в дросселе фильтра, поступает в нагрузку при выключенных тиристорах выпрямителя.

Временные диаграммы токов и напряжений в схеме регулируемого трехфазного выпрямителя приведены на рис. 2.

Регулировочная характеристика такого выпрямителя определяется выражением:

На рис. 3 построены регулировочные характеристики рассматриваемого выпрямителя, рассчитанные в соответствии с приведенной формулой. При построении данных характеристик по оси ординат откладывалось относительное значение напряжения на нагрузке. Кривая 1 на рис. 3 соответствует однофазным регулируемым выпрямителям, кривая 2,3 — трехфазному регулируемому выпрямителю. Приведенные на рис. 3 характеристики дают возможность определить требуемое значение напряжений на вторичных обмотках силового трансформатора, выбрать рабочий диапазон , оценить коэффициент усиления выпрямителя в рабочем диапазоне.

Рисунок 3.

В режиме стабилизации выходного напряжения необходимо обеспечить работу выпрямителя на круто спадающем участке регулировочной характеристики за счет соответствующего выбора начального угла открывания тиристоров.

Среднее значение напряжения на входе фильтра UB cp (наибольшее из возможных значений UB cp) определяется выражением

где UK макс и /н макс — максимальные значения напряжения на нагрузке и тока нагрузки; ΔUB—суммарное падение напряжения на одновременно открытых диодах и тиристорах выпрямителя; — соответственно сопротивления дросселя фильтра и фазы выпрямителя.

Максимальный угол открывания тиристоров в регулируемом выпрямителе соответствует максимальному напряжению питающей сети, минимально возможному значению выходного напряжения и минимальному току нагрузки. Значение определяется по графикам на рис.3, по расчетному значению

Углы открывания тиристоров в регулируемом выпрямителе определяют нижнюю и верхнюю границы рабочего диапазона данного устройства.

При увеличении и неизменном значении тока нагрузки (Iн=const) среднее и эффективное значения токов вторичной обмотки трансформатора и силовых тиристоров выпрямителя уменьшаются, а ток блокирующего диода возрастает.

Таким образом, в режиме стабилизации выходного напряжения наибольшие значения тока нагрузки силового трансформатора и тока через тиристоры соответствуют минимальному углу открывания тиристоров . Наибольший ток диода VD4 соответствует режиму Un макс, IH мнн и Iн.макс.

Зависимости коэффициента пульсаций

(где — амплитудное значение основной гармоники переменной составляющей напряжения на входе сглаживающего фильтра) от в приведены на рис. 4. Кривая 1 на рис. 4 относится к однофазным регулируемым выпрямителям, кривые 2 и 3— к трехфазным.

Нетрудно видеть, что с увеличением угла открывания тиристоров в регулируемом выпрямителе коэффициент пульсации резко возрастает. Поэтому расчет фильтра следует производить при максимальном значении . Для уменьшения пульсаций напряжения на входе фильтра регулируемые выпрямители приходится усложнять за счет введения в них дополнительных силовых элементов. Ниже приведены некоторые схемы усовершенствованных регулируемых выпрямителей, нашедшие весьма широкое распространение в технике электропитания устройств автоматики и радиоэлектронной аппаратуры.

Рисунок 4.

Существуют различные усовершенствования рассматриваемой схемы, которые целесообразно использовать в том или ином случае, в зависимости от требований к параметрам схемы.

Некоторые из таких схем изображены на рис. 5. Здесь открывание очередного тиристора приводит к закрыванию соответствующего диода и увеличению напряжения на входе сглаживающего фильтра. Для выпрямителя с обмотками, соединенными в зигзаг, полностью исключена возможность подмагничнвания сердечника трансформатора.

Ориентировочные формыкривой напряжения на входе сглаживающего фильтра для рассматриваемых трехфазных регулируемых выпрямителей изображены на рис. 6.

Кривая на рисунке 6а соответствует случаю малых углов открывания тиристоров выпрямителя:

,

где

кривая на рис. 6б – случаю , на рис. 6в - .

Рисунок 5.

Рисунок 6.

1. Расчет силовой части выпрямителя

Силовую часть выполняем по мостовой несимметричной схеме с тремя тиристорами и нулевым вентилем (рисунок 1). Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается Г-образный LC-фильтр, применение которого обеспечивает жесткую внешнюю характеристику выпрямителя, а также благоприятный режим работы вентилей и трансформатора.

Рис. 1.

Временные диаграммы выпрямленного напряжения, токов в вентилях и в фазе вторичной обмотки трансформатора при работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку и углах регулирования , , приведены на рисунке 2 а, б и в соответственно. При построении диаграмм предполагалось, что трансформатор и вентили – идеальные, а индуктивность дросселя фильтра .

Тиристоры VS1-VS3 образуют катодную группу вентилей, диоды VD1-VD3 – анодную.В каждый момент времени ток проводят два вентиля: из катодной группы тот тиристор, на который подан сигнал управления и у которого в данный момент времени на аноде наиболее высокое положительное напряжение относительно катода, из анодной группы пропускает тот диод, у которого на катоде относительно анода наибольшее отрицательное напряжение. Коммутация диодов происходит в точках естественной коммутации. Напрямер, когда проводят VS1 и VD2, к нагрузке прикладывается линейное напряжение . В т. 1 VD2 закрывается и в работу вступает VD3, т.к. на его катоде наиболее низкий потенциал, при этом к нагрузке прикладывается напряжение. При открытии VS2 VS1 закрывается.

Выпрямленное напряжение имеет троекратные пульсации за период.

Уравнение нагрузочной характеристики имеет вид:

Рассмотрим режим работы . В отличие от симметричной схемы, в нашей схеме не появляются отрицательные участки выпрямленного напряжения . При прохождении отрицательной полуволны, например, тиристор VS1 будет оставаться открытым и проводить ток вместе с диодом VD1 той же фазы. В результате на интервале нагрузка будет зашунтирована открытыми VS1 и VD1, который выполняет функцию нулевого вентиля. С целью уменьшения нагрузки на основные вентили и снижения потребляемой мощности на интервале,

включается диод VD0, который шунтирует нагрузку на интервале . Другое назначение VD0 заключается в том, что хотя очень часто защиту УВ при перегрузке по току и к.з. в нагрузке осуществляют посредством снятия импульсов управления с тиристоров в момент перегрузки, однако в рассматриваемой схеме при RL-нагрузке при снятии сигнала управления с тиристоров и отсутствии VD0 не все тиристоры закрываются, тот тиристор, который проводил ток до снятия сигнала управления, продолжает его проводить. В результате , несмотря на то, что импульсы управления не поступают. Для обеспечения запирания всех тиристоров включается VD0.

Рис. 2а. . Рис. 2б.

Рис. 2в. .

Определим коэффициенты изменения питающего напряжения

Определим (ориентировочно) активное сопротивление и индуктивность рассеяния фазы трансформатора, приведенные ко вторичной обмотке:

В нашем случае при соединении обмоток звезда-звезда, Kr=2,5, KL=10-3, S=3 и Bm=1 Тл при fc=400 Гц.

В качестве материала сердечника выбираем сталь Э330 толщиной 0,15мм, для которой ориентировочно принимаем Bm=1Тл.

Определим падение напряжения на активном сопротивлении трансформатора при минимальном и максимальном токах нагрузки:

Определим потери выпрямленного напряжения, обусловленные коммутацией, при минимальном и максимальном токе нагрузки:

Определим (ориентировочно) падение напряжения на активном сопротивлении дросселя фильтра при максимальном и минимальном значении тока нагрузки:

Максимальное среднее значение выпрямленного напряжения на входе фильтра (с учетом потерь на элементах):

- предварительное падение напряжения на тиристоре и диоде соответственно (при выборе элементов значения будут уточняться).

Минимальное фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора при минимальном напряжении сети:

Номинальное и максимальное фазное напряжение вторичной обмотки:

Минимальное среднее значение напряжения на входе фильтра:

Максимальный угол регулирования:

Среднее значение напряжения на входе фильтра и угол регулирования в режиме, соответствующем максимальной токовой нагрузке нулевого вентиля:

Средний ток тиристоров и диодов выпрямителя в режиме максимальной токовой нагрузки:

при

при и наличии нулевого вентиля:

Действующее значение тока тиристоров и диодов в режиме максимальной нагрузки (при ):

Среднее и действующее значение тока нулевого вентиля в режиме :

Обратное напряжение на вентилях выпрямителя:

На основании данных расчета из справочника выбираем:

а) оптронные тиристоры типа ТО142-80 шестого класса с параметрами: допустимое повторяющееся напряжение , рекомендуемое рабочее напряжение , предельный ток , пороговое напряжение , динамическое сопротивление в открытом состоянии , импульсный отпирающий ток управления , импульсное отпирающее напряжение управления = 2,5 В, неотпирающий ток управления .

б) диоды Д112-16 третьего класса с параметрами: повторяющееся импульсное напряжение , предельный ток , пороговое напряжение , динамическое сопротивление , диапазон рабочих температур (-50…+150°С).

Мощность статических потерь в тиристоре:

Мощность статических потерь в диоде:

Мощность статических потерь в нулевом вентиле:

Требуемая площадь теплоотводящего радиатора для тиристора:

где - коэффициент теплоотдачи, зависящий от конструкции материала и степени чернения теплоотвода; для черненного ребристого алюминиевого теплоотвода .

- максимальная рабочая температура перехода, которая для надежности выбирается на 10…20°С меньше .

- тепловое сопротивление между корпусом и теплоотводом, в нашем случае выбираем . Для уменьшения теплового контактного сопротивления поверхности корпуса вентиля и радиатора в местах контакта смазываем теплопроводящей пастой КПТ-8.

Требуемая площадь радиатора для диода:

Требуемая площадь радиатора для нулевого вентиля:

Уточняем величины прямого падения напряжения на тиристоре и диоде:

Производим расчет сглаживающего фильтра. Коэффициент пульсаций по основной гармонике на входе фильтра максимален при , из графика на рис. 2.2 [1], находим .

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке (по основной гармонике):

Требуемый коэффициент сглаживания фильтра:

Определяем произведение LC, полагая, что коэффициент передачи постоянной составляющей фильтра :

,

- число пульсаций за период.

Определяем индуктивность дросселя из условия получения индуктивной реакции фильтра в заданном диапазоне изменения тока нагрузки:

Определим амплитуду пульсаций по первой гармонике:

Действующее значение:

С учетом полученного значения L, максимального тока нагрузки, амплитуды пульсаций, делаем вывод, что стандартных дросселей, удовлетворяющих таким параметрам не существует, поэтому производим расчет дросселя фильтра с помощью данных из [3].

Для обеспечения лучшего сглаживания, рассчитаем дроссель с индуктивностью 10 мГн.

Выбираем Ш-образный сердечник из стали 3411(Э310). В=1,3 Тл, плотность тока j=5А/мм2;

КО=0,35, КС=0,95.

Выбираем магнитопровод ШЛ40х80 (ScKc=30см2, So=40см2).

Определим количество витков:

Сечение провода:

.

Определяем немагнитный зазор:

Определим результирующую индуктивность:

Вычислим сопротивление дпосселя:

Расчетное значение емкости фильтра:

Рабочее напряжение конденсатора:

Выбираем конденсатор с органическим диэлектриком К73-17-400В-0,47 мкф с параметрами: пределы отклонения от номинального значения , допустимая амплитуда пульсаций на частоте 50 Гц