1. Трехфазные выпрямители
Схемы выпрямителей трехфазного питания применяются в основном для питания потребителей средней и большой мощности. Первичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей состоит из трех фаз и соединяется либо в звезду, либо в треугольник. Вторичные обмотки трансформатора (их может быть несколько) также трехфазные. С помощью специальных схем соединения вторичных обмоток и всего выпрямителя можно получить выпрямление напряжение с числом пульсаций за период , кратным трем. С увеличением числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих электрических фильтров либо вообще отпадает необходимость в них.
Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.
Схемы выпрямителей трехфазного питания используются для питания статических нагрузок активного и активно-индуктивного характера, статических нагрузок с противо-э.д.с., а также динамических нагрузок в виде электродвигателей постоянного тока. Последний вид нагрузки следует рассматривать как противо-э.д.с. с индуктивностью.
2. Схема с нулевым выводом (схема Миткевича)
Составным элементом сложных схем выпрямителей трехфазного питания является простая трехфазная схема с нулевым выводом, предложенная Миткевичем (рис. 1). Работа схемы описывается далее.
Рис. 1.
3. Основные особенности импульсного метода регулирования
Регулирование напряжения потребителя посредством импульсных преобразователей (ИП) называют импульсным регулированием.
С помощью импульсного преобразователя источник постоянного или переменного напряжения периодически подключается к нагрузке.
Преобразователи, позволяющие осуществлять широтно-импульсное регулирование напряжения на нагрузке, называют широтно-импульсными преобразователями (ШИП).
ШИП находят широкое применение для регулирования и стабилизации напряжения различных потребителей (электротранспорт, электропривод металлообрабатывающих станков, в бортовых системах и т.д.), что объясняется рядом их преимуществ:
· высокий к.п.д., так как потери мощности на регулирующем элементе преобразователя незначительны по сравнению с потерями мощности в случае непрерывного регулирования;
· малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, поскольку регулирующим фактором является время проводимости ключа, а не величина внутреннего сопротивления регулирующего элемента, что имеет место при непрерывном регулировании;
· малые габариты и масса;
· постоянная готовность к работе.
Вместе с тем широтно-импульсным преобразователям присущи и недостатки:
· импульсный режим работы регулирующего элемента приводит к необходимости устанавливать выходные фильтры, что вызывает инерционность процесса регулирования в замкнутых системах;
· высокие скорости включения и выключения тока в силовой цепи ШИП приводит к возникновению радиопомех.
Несмотря на указанные недостатки, применение импульсных преобразователей перспективно в тех случаях, когда на первое место выдвигаются требования высокой экономичности, надежности, малых габаритов, малой чувствительности к колебаниям температуры, высокой гибкости и точности регулирования.
Выходные каскады ШИП наиболее просто выполнять на полностью управляемых вентилях — транзисторах и двухоперационных тиристорах, отпирание и запирание которых производится по базовым цепям.
4. Описание работы схемы
Электрические параметры определяются в общем виде для многофазного выпрямителя с числом пульсаций выпрямленного напряжения за период , для схемы Миткевича .
При активно-индуктивной нагрузке (; ; ) схема может работать в двух режимах. Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от диапазона изменения угла регулирования , но и от соотношения параметров нагрузки и . Так же, как и в однофазных схемах, кривая выпрямленного напряжения может иметь отрицательные значения, что объясняется возможностью вентиля пропускать ток при отрицательном напряжении на обмотке данной фазы за счет накопленной энергии в магнитном поле дросселя . При непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях и и ничем не отличается от случая активной нагрузки при . При дальнейшем увеличении угла управления непрерывный режим тока сохраняется только при значительном преобладании индуктивности . Для без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным (рис. 2).
При учете индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора так же, как и в однофазном выпрямителе, имеются интервалы, соответствующие работе одного и двух вентилей.
Рис. 2.
Рассмотрим режим, соответствующий двум интервалам периода — интервалу одиночной работы вентиля, когда ток в вентиле равен току нагрузки , и интервалу одновременной работы двух смежных по фазе вентилей, называемому интервалом коммутации. В течении интервала коммутации ток в одном вентиле уменьшается от значения до нуля, в другом увеличивается от нуля до значения .
В период коммутации анализ схемы удобно производить методом наложения действий источников синусоидальных э.д.с. вторичных обмоток трансформатора и источника постоянного тока , действующего за счет энергии, накопленной в магнитном поле сглаживающего дросселя к началу коммутации.
Временные диаграммы токов и напряжений в трехфазном управляемом выпрямителе с нулевым выводом при активно-индуктивной нагрузке (; ; ) приведены на рис. 2.
5. По структурной схеме
На входе схемы стоит трансформатор для понижения сетевого напряжения. Напряжение с трансформатора подается на управляемые вентили, где выпрямляется и фильтруется фильтром, а затем выпрямленное поступает к нагрузке. Стабилизация происходит за счет регулирования угла отпирания вентилей. Сигналы для отпирания тиристоров приходят с системы управления (СУ), для нашего случая можно использовать оптотиристоры или трансформатор для гальванической развязки СУ и силовой части. Система синхронизации согласована с частотой сети.
6. Расчет силовой части
Расчет основных соотношений:
Определяем , , , , :
В;
В;
В;
В;
В.
Определяем коэффициенты изменения питающего напряжения:
;
.
Зададимся падением напряжения на элементах схемы:
· на активном сопротивлении трансформатора: ;
· на вентилях: В;
· на активном сопротивлении дросселя: .
Определим максимальное и минимальное требуемое выпрямленное напряжение , , учитывая нестабильность и диапазон регулирования выходного напряжения, а также потери в элементах схемы:
В,
В,
В.
Уравнение нагрузочной характеристики имеет вид:
.
При минимальном напряжении сети и максимальном напряжении на нагрузке будет справедливо:
, .
Зададимся минимальным углом управления . Исходя из этого определим необходимое минимальное напряжение на фазной обмотке:
В.
Определим номинальное и максимальное значения напряжений на фазной обмотке:
В;
В.
Зная максимальное напряжение на фазной обмотке, определим максимальный угол управления:
.
Определим номинальный угол управления:
.
Из полученных значений для углов регулирования следует, что возможна робота нулевого диода.
Определим максимальные и минимальные токи нагрузки:
А;
А.
Расчет основных параметров вентилей:
Максимальный ток через вентили:
А.
Максимальный ток через нулевой диод:
А.
Максимальное обратное напряжение на тиристорах
Максимальное обратное напряжение на нулевом диоде:
В.
Выбираем следующие элементы с [2]:
Диод: 50WQ06FN с параметрами: максимальный средний ток А; максимальный импульсный ток А при 5мкс и А при 10мс; максимальное обратное напряжение В; максимальное падение напряжения в открытом состоянии В; диапазон рабочей температуры С.
Тиристоры: 10R1A10 с параметрами: максимальный средний ток А; максимальный ток для переменного напряжения частотой 50Гц — , 60Гц —; ток управления мА; максимальный ток управления А; максимальное обратное напряжение В; максимальное падение напряжения в открытом состоянии В; диапазон рабочей температуры С.
По вольт-амперным характеристикам элементов определяем сопротивления элементов в открытых состояниях:
Ом — сопротивление тиристора;
Ом — сопротивление диода.
Расчет трансформатора:
Определим коэффициент трансформации :
.
Определяем габаритную мощность трансформатора:
ВА.
Определяем активное сопротивление трансформатора и индуктивность рассеяния обмоток трансформатора:
;
.
где — плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм2
;
— амплитуда магнитной индукции, Т.
Определяем , из [3]: А/мм2
, Т.
Определяем , :
Ом;
Гн.
Определим :
Ом.
Определим :
Ом.
Как видим сопротивление трансформатора меньше принятого нами.
Максимальное значение токов первичной и вторичной обмоток трансформатора:
А;
А.
Расчет фильтра:
Определим необходимый коэффициент сглаживания индуктивно-емкостного фильтра по формуле
.
Для нашего случая , тогда получим:
.
При коэффициенте сглаживания рекомендуется применять однозвенный фильтр, при — двухзвенный, а трехзвенный — при . Поскольку полученный нами коэффициент лежит в пределах от 22 до 220 то, в соответствии с рекомендациями, применим двухзвенный фильтр.
Поскольку у нас то достаточно фильтр с одного звена.
Коэффициент сглаживания индуктивно-емкостного фильтра можно определить как:
.
Определим произведение :
.
Подставим числовые значения:
ФГн.
Индуктивность дросселя определим из условия непрерывности тока в нем:
.
Подставим числовые значения:
мГн.
Выбираем дроссель с [4]:
Дроссель типа IHV с параметрами: индуктивность дросселя – 500мкГн, разброс номинала ; максимальный ток через дроссель – 15А; сопротивление дросселя 0.05Ом.
Падение напряжения на дросселе:
В.
Как видим это значение близко к принятому.
Емкость конденсатора фильтра:
Ф.
Выбираем конденсатор с [4]:
Конденсатор типа 021ASM с параметрами: емкость конденсатора — 470мкФ, разброс номинала ; допустимое напряжение 63В.
7. Расчет переходного процесса
Поскольку происходит коммутация тиристоров, то для расчета переходного процесса, заменяем нашу схему двумя эквивалентными, которые соответствуют двум интервалам работы схемы: и .
Элементы: трансформатор, тиристоры и диод заменяем моделями.
Эквивалентные схемы для двух периодов имеют вид:
1) - период :
Где: — сопротивление тиристора; — сопро
Представим сумму сопротивлений и сопротивлением .
Схема примет вид:
2)
Где: — сопротивление тиристора; — сопротивление трансформатора; — сопротивление дросселя.
Представим сумму сопротивлений , и сопротивлением .
Схема примет вид:
8. Определение функции описывающие переходной процесс
Определим функции описывающие переходной процесс для двух периодов.
Используем операторный метод.
Определим значение :
Ом.
Определим значение :
Ом.
Для закона ома в операторной форме справедлива запись:
Но эта запись закона Ома справедлива для расчета переходного процесса в цепи при нулевых начальных условиях. Если же начальные условия не нулевые, форма записи закона Ома в операторной форме будет иметь вид:
где — начальные условия токов в индуктивностях и напряжений на емкостях.
Составим схемы замещения и запишем уравнения описывающие переходной процесс с учетом начальных условиях (при нулевых начальных условиях ).
Для периода :
Используя метод контурных токов, составим систему уравнений:
(1)
Представим это в виде:
(2)
где
9. Нахождение выражения для тока
Определим через :
Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):
Получаем выражение через , , и :
(3)
Поскольку и , то:
Подставляя найденные выражения в (3), получим выражение тока :
(4)
Нахождение выражения для тока
Определим через :
Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):
Получаем выражение через , , и :
(5)
Поскольку и , то:
Подставляя найденные выражения в (5), получим выражение тока :
(6)
Определяем значения токов в ветвях
Определим напряжение на емкости
10. Обратные изображения для Лапласа
Обратные изображения Лапласа для и находим в MathCad как функции от , :
Для периода :
в операторной форме можно представить как
(1)
Представим это в виде:
(2)
где
Нахождение выражения для тока
Определим через :
Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):
Получаем выражение через , , и :
(3)
Поскольку и , то:
Подставляя найденные выражения в (3), получим выражение тока :
(4)
Нахождение выражения для тока
Определим через :
Подставляем полученное выражение в первое уравнение системы (2):
Получаем выражение через , , и :
(5)
Поскольку и , то:
Подставляя найденные выражения в (5), получим выражение тока :
(6)
Определяем значения токов в ветвях
Определим напряжение на емкости
11. Обратные изображения для Лапласа
Обратные изображения Лапласа для и находим в MathCad как функции от , :
Построим графики этих функция для при нулевых начальных условиях для нагрузки Ом и угла управления (диод не работает):
Определяя значения функций в точке и подставляя в те же формулы, методом накладывания строим график переходного процесса:
При нагрузке Ом получаем графики:
Составим таблицу (табл.. №1) значений токов (ток в дросселе) и напряжений (напряжение в конденсаторе) для двух нагрузок: минимальной Ом и максимальной Ом, при минимальном угле регулирования (диод не работает). Токи и напряжения определяем в точках (каждые пол такта), где :
Таблица №1
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 8.725 | 22.345 | 9.724 | 22.147 |
| 2 | 24.424 | 24.395 | 30.251 | 21.956 |
| 3 | 31.583 | 21.63 | 42.365 | 13.837 |
| 4 | 33.48 | 12.806 | 45.395 | -0.898 |
| 5 | 29.247 | 11.795 | 37.472 | -5.012. |
| 6 | 27.364 | 9.396 | 30.518 | -6.194 |
| 7 | 24.937 | 13.226 | 24.872 | 1.462 |
| 8 | 26.335 | 12.182 | 26.722 | 4.046 |
| 9 | 25.972 | 15.025 | 28.928 | 8.145 |
| 10 | 27.705 | 12.506 | 33.444 | 4.555 |
| 11 | 26.707 | 14.501 | 33.44 | 4.402 |
| 12 | 27.733 | 11.901 | 33.909 | 0.27 |
| 13 | 26.402 | 14.206 | 31.041 | 2.267 |
| 14 | 27.457 | 11.915 | 31.075 | 0.758 |
| 15 | 26.294 | 14.35 | 29.58 | 4.151 |
| 16 | 27.484 | 12.035 | 31.345 | 2.437 |
| 17 | 26.369 | 14.391 | 30.801 | 4.72 |
| 18 | 27.536 | 12.017 | 32.464 | 1.964 |
| 19 | 26.381 | 14.357 | 31.203 | 3.855 |
| 20 | 27.523 | 11.995 | 32.171 | 1.352 |
| 21 | 26.364 | 14.353 | 30.636 | 3.762 |
| 22 | 27.514 | 12.001 | 31.76 | 1.645 |
| 23 | 26.364 | 14.36 | 30.564 | 4.132 |
| 24 | 27.518 | 12.005 | 31.947 | 1.849 |
| 25 | 26.368 | 14.36 | 30.808 | 4.11 |
| 26 | 27.519 | 12.003 | 32.085 | 1.695 |
| 27 | 26.367 | 14.359 | 30.798 | 3.962 |
| 28 | 27.518 | 12.002 | 31.986 | 1.637 |
| 29 | 26.367 | 14.359 | 30.699 | 3.995 |
| 30 | 27.518 | 12.003 | 31.945 | 1.709 |
| 31 | 26.367 | 14.359 | 30.757 | 4.028 |
| 32 | 27.519 | 12.003 | 32.002 | 1.69 |
| 33 | 26.367 | 14.359 | 30.742 | 4.009 |
| 34 | 27.519 | 12.003 | 31.981 | 1.69 |
| 35 | 26.367 | 14.359 | 30.729 | 4.021 |
| 36 | 27.519 | 12.003 | 31.98 | 1.703 |
| 37 | 26.367 | 14.359 | 30.737 | 4.027 |
| 38 | 27.519 | 12.003 | 31.989 | 1.701 |
| 39 | 26.367 | 14.359 | 30.741 | 4.021 |
| 40 | 27.519 | 12.003 | 31.98 | 1.701 |
| 41 | 26.367 | 14.359 | 30.733 | 4.021 |
| 42 | 27.519 | 12.003 | 31.98 | 1.701 |
| 43 | 26.367 | 14.359 | 30.733 | 4.021 |
| 44 | 27.519 | 12.003 | 31.98 | 1.701 |
| 45 | 26.367 | 14.359 | 30.733 | 4.021 |
| 46 | 27.519 | 12.003 | 31.98 | 1.701 |
Как видим, процесс стал полностью периодичен при минимальной нагрузке с 16 такта , то есть получаем установившийся режим за 0.0133с; при максимально нагрузке с 21 такта , то есть получаем установившийся режим за 0.0175с.
Отсюда следует вывод, что установившийся режим мы получаем за время близкое к 0.02с.
Рассмотрим установившийся режим при минимальной нагрузке (до того как задействуем ОС) в более меньшем временном масштабе:
Список использованной литературы
1. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. — 2-е изд., пере раб. и доп. — Вища школа. Головное изд-во, 1983. — 431с.
2. Электронный справочник InternationalRectifier.
3. В.Е. Китаев, А.А. Бокуеяев. — Расчет источников электропитания устройств связи. — М.: Связь, 1979. —216с.
4. Интернет страничка: www.vishay.com.
5. Ромашко В.Я. — Основи аналізу дискретно-лінійних ланцюгів: Навч. Посібник. — К.: Либідь, 1993. — 120с.