6.5. ТРЁХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Трехфазная мостовая схема выпрямления является . более распространенной в области средних и больших мощностей. На рис. 6.11, а представлена схема мостового управляемого выпрямителя на тиристорах.

Рис. 6.11 Трехфазный мостовой выпрямитель (а) временные диаграммы токов и напряжений при

При замене тиристоров на диоды получим схему трехфазного мостового неуправляемого выпрямителя. Вентили схемы образуют две группы: V1, V3, V5 — катодную (у них объединены катоды), и V2, V4, V6 — анодную. Приняв потенциал общей точки звезды вторичной обмотки трансформатора за нуль, можно считать, что напряжение на нагрузке есть сумма выходных напряжений двух трехфазных нулевых схем выпрямления (§ 6.4), собранных на вентилях катодной и анодной групп. Напряжение на нагрузке , где — потенциал катодов вентилей катодной группы, а фаз — потенциал анодов вентилей анодной группы.

6.5.1. Работа выпрямителя при (или работа неуправляемого выпрямителя). На рис. представлены временные диаграммы токов и напряжений в этом режиме. Как и в трехфазном нулевом выпрямителе, в каждый момент времени ток проводит один тиристор катодной группы, у которого напряжение на аноде наиболее положительно, и один анодной группы, у которого напряжение на катоде наиболее отрицательно. Моментами естественного отпирания тиристоров катодной группы являются точки пересечения синусоид при положительных напряжениях, для тиристоров анодной группы — точки пересечения тех же синусоид при отрицательных напряжениях. От моментов естественного отпирания отсчитывают углы управления а. В момент например, проводят ток V1 и V2, а ток замыкается по контуру обмотка — V2 — обмотка .

Через два проводящих тиристора нагрузка подключается на линейное напряжение, например, при работе V1 и V2 — на напряжение . После прекращения работы V1 и отпирания V3 к нагрузке приложено линейное напряжение и т.д. Таким образом, выходное напряжение имеет амплитуду, равную амплитуде линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора: , где — действующее значение фазного напряжения. На рис. построена кривая выходного напряжения , где потенциалы и фаз, представляющие собой верхнюю и нижнюю огибающие синусоид , выделены. Период повторения напряжения при выбранном на рисунке начале координат заключен между , а среднее значение выходной ЭДС выпрямителя

По сравнению с возросло вдвое, что и следовало ожидать, учитывая что на нагрузке в мостовой схеме суммируются напряжения двух нулевых выпрямителей.

Частоты пульсации , а коэффициент пульсации найдем по (5.3), подставив число пульсаций за период сети получим . Снижение пульсации выходного напряжения и повышение частоты пульсации означают улучшение качества выходного напряжения мостового трехфазного выпрямителя по сравнению с нулевым.

На той же временной диаграмме показан ток . В типичном для мощных преобразователей режиме ток нагрузки постоянен: , на диаграмме указаны номера тиристоров, через которые проходит ток нагрузки. Амплитуда анодного тока , а длительность его протекания Как и в нулевой схеме, [сравните с (6.7)].

Для выбора тиристоров помимо необходимо знать . Напряжение на неработающем тиристоре катодной (анодной) группы определяется на , где потенциал анода (катода) относительно общей точки звезды определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора, связанной с данным тиристором, а потенциал катода (анода) всех тиристоров данной группы равен потенциалу (фаз), т. е. наиболее положительному (наиболее отрицательному) из Таким образом, на неработающего тиристора определяется линейным напряжением. На рис. заштриховано напряжение иа. Амплитуда обратного напряжения на тиристоре равна амплитуде линейного напряжения, тогда с учетом (6.9)

Сравнивая (6.10) с (6.8), видим, что при том же в мостовом выпрямителе вдвое меньше, но и тиристоров в 2 раза больше, чем в нулевом.

Ток вторичной обмотки фазы А складывается из тока тиристоров V1 и V4 и имеет форму, показанную на рис. .

Ток не имеет постоянной составляющей, поэтому подмагничивания трансформатора не происходит: форма тока первичной обмотки такая же, как и во вторичной: , где — коэффициент трансформации.

Для расчета трансформатора найдем действующее значение тока , учитывая, что этот ток имеет форму разнополярных прямоугольных импульсов с амплитудой и длительностью на полупериоде :

В данной схеме форма токов и напряжений первичной и вторичной обмоток одинаковы, поэтому равны и расчетные мощности этих обмоток. Расчетная мощность трансформатора с учетом

К достоинствам мостовой схемы по сравнению с нулевой схемой можно отнести малую величину и большую частоту пульсации, малую расчетную мощность и отсутствие подмагничивания трансформатора, а также вдвое меньшее по сравнению с нулевой схемой отношение , что позволяет получать достаточно высокие напряжения при использовании тиристоров того же класса.

6.5.2. Работа при . При подаче импульсов управления на тиристоры выпрямителя (рис. 6.11, а) с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол управления а в режиме непрерывного тока кривая выходного напряжения состоит из отрезков линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Временные диаграммы при различных углах управления приведены на рис. 6.12. Среднее значение выходной ЭДС выпрямителя находим, интегрируя эти кривые:

где .

По-прежнему в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя описывается выражением (6.2) и имеет косинусоидальный характер.

Рис. 6.12. Временные диаграммы напряжения на в трехфазном мостовом управляемом выпрямителе и зависимом инверторе

Рис. 6.13. Токи и напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе при учете коммутационных процессов

При углах управления отрицательный участок в кривой отсутствует и выпрямитель при любой нагрузке работает в режиме непрерывного тока. При возможна работа преобразователя в инверторном режиме, для этого в цепи постоянного тока включается источник энергии, полярность которого противоположна выходной ЭДС выпрямителя .

6.5.3. Коммутационные процессы и внешние характеристики трехфазного мостового выпрямителя.

В реальных трансформаторах большой мощности необходимо учитывать индуктивности рассеяния обмоток. Как и в однофазном выпрямителе (§ 6.2.4), вынесем индуктивность рассеяния первичной и вторичной обмоток во вторичную цепь: . Индуктивность обмотки трансформатора препятствует скачкообразным изменениям токов , поэтому эти токи имеют не прямоугольную, как упрощенно предполагалось ранее, а трапецеидальную форму (временные диаграммы напряжений и токов в мостовом выпрямителе при учете приведены на рис. 6.13).

В результате влияния анодных индуктивностей ток с вентиля на вентиль переходит не мгновенно и на интервале, определяемом углом коммутации у, ток проводят одновременно два тиристора одной группы (анодной или катодной). В момент показанный на рис. 6.13, ток в V3 нарастает, а в V1 падает, при их одновременной работе потенциал .

На интервале коммутации у выходное напряжение преобразователя уменьшается на величину их, это напряжение их приложено к анодной индуктивности. На интервалах между коммутациями ток проводит только один тиристор и форма выходного напряжения остается неизменной.

Среднее значение выходного напряжения за счет коммутационных процессов снижается:

Значение может быть найдено как среднее значение их на интервале повторяемости, который равен , так как в мостовом трехфазном выпрямителе за период сети происходит шесть коммутаций: три в анодной группе, три — в катодной группе вентилей. Следовательно,

Учитываем, что . Заменим пределы интегрирования, поскольку при ток , а при . Получим

Следовательно,

Внешняя характеристика трехфазного выпрямителя имеет такой же вид, как внешняя характеристика однофазного выпрямителя (см. рис. ), количественные отличия заключаются только в значении напряжения холостого хода и в наклоне кривых, который зависит от пульсности выходного напряжения т.

На рис. 6.13 показана форма тока потребляемого выпрямителем из сети. В этой кривой есть две важные особенности. Во-первых, ток, потребляемый выпрямителем из сети, несинусоидален, и это характерно и для других типов выпрямителей (см. рис. 5.4, б, ), которые поэтому могут быть охарактеризованы как нелинейная нагрузка для питающей сети. Вторая особенность это фазовый сдвиг первичного тока относительно напряжения сети, который характерен для всех управляемых выпрямителей (см. также рис. .

Обе эти особенности играют важную роль в преобразовательной технике и в энергетике, ими обусловлено влияние вентильных преобразователей на питающую сеть, рассмотрению которого посвящена гл. 7.

Мощные выпрямительно инверторные агрегаты применяются, в частности, для питания обмоток возбуждения синхронных гидро- и турбогенераторов (схемы тиристорного возбуждения). Обмотка возбуждения представляет собой индуктивную нагрузку с малыми потерями, необходимая для возбуждения мощность составляет от мощности синхронной машины. Установленный на валу синхронной машины синхронный возбудитель связан с обмоткой возбуждения через выпрямитель, ток которого регулируется при изменении углов управления тиристоров в зависимости от величины и характера нагрузки генератора. При индуктивном характере сети и при возрастании нагрузки ток возбуждения увеличивается. В зависимости от тока возбуждения может изменяться реактивная мощность генератора. Режим, при котором реактивная мощность соответствует нулю, называется режимом полного или нормального возбуждения. При увеличении тока возбуждения (режим перевозбуждения) синхронная машина генерирует реактивную мощность для сети с активно-индуктивной реакцией. В режиме холостого хода такой генератор для сети эквивалентен емкости и называется синхронным компенсатором.

Для быстрого прекращения тока возбуждения преобразовательный агрегат переводится в инверторный режим , при этом накопленная в обмотке возбуждения энергия возвращается в питающую сеть. Таким образом, управление тиристорным преобразователем схемы возбуждения позволяет реализовать основные режимы работы синхронного генератора.