Шестипульсовая нулевая схема «Звезда – две взаимообратных звезды с уравнительным реактором (УР)

1.

6.3 Шестипульсовая нулевая схема «Звезда – две
взаимообратных звезды с уравнительным реактором (УР)»
6.3.1 Схема и её описание
Примем, что напряжение в питающей сети, а следовательно во
вторичной обмотке трансформатора синусоидальное.
u 2 2U 2 sin
(6.3.1)
Шестипульсовая нулевая схема «Звезда – две взаимообратных
звезды с уравнительным реактором (УР)» состоит из трехфазного
преобразовательного трансформатора Т с двумя трехфазными
вторичными обмотками, напряжение в одноименных фазах
которых сдвинут на 180 градусов электрических (рис.6.3.2).
Благодаря этому напряжение вторичных обмоток образует
шестифазную симметричную систему, т.е. произошло удвоение
числа фаз питающей сети (рис.6.3.1).

2.

СО
ВО1
ВО2
Рисунок 6.3.2 - Шестипульсовая нулевая схема выпрямления
«Звезда – две обратные звезды с уравнительным реактором»

3.

В каждую фазу вторичной обмотки включены диоды, общий
катод К которых подключается к +ш.
Для обеспечения параллельной работы двух диодов прямой и
обратной звезды, имеющих в данный момент наибольшее
напряжение на аноде, между нулевыми выводами О1 и О2
вторичных обмоток включен уравнительный реактор УР, средний
вывод которого 0 подключен к –ш (рис.6.3.2).
Электромагнитные процессы и процесс выпрямления
трехфазного переменного напряжения в постоянное ud наглядно
иллюстрируются временными диаграммами напряжений и токов в
элементах схемы (рис. 6.3.3)
На рисунке 6.3.3,а приведены (построены) временные
диаграммы напряжения ua1, ub3, uc5 нечетной звезды и
uc2,ua4,ub6 четной звезды.

4.

6.3.2 Векторная диаграмма напряжений
а)
б)
U d max 2U 2 cos 30 (6.3.2)
Рисунок 6.3.1 – Векторная диаграмма напряжений ВО(а) и
амплитуды выпрямленного напряжения Ud max(б) при работе схемы в
режиме Id=Idкр

5.

6.3.3 Временные диаграммы и порядок их построения
6'
1'
Рисунок 6.3.3 - Временные диаграммы напряжения вторичной обмотки u2, выпрямленного
напряжения ud и тока id , напряжения ep и тока iур уравнительного реактора, токов фазы a1
вторичной i2 и фазы А первичной i1 обмоток трансформатора, тока iV и обратного
напряжения диодного плеча V1 uV диода шестипульсовой схемы «Звезда – две взаимно
обратные звезды с уравнительным реактором» при xd=∞ и γ=0.

6.

6'
1'
Рисунок 6.3.4 - Временные диаграммы напряжения вторичной обмотки u2, выпрямленного
напряжения ud и тока id, напряжения eр и токи iур уравнительного реактора, токов фазы a1
вторичной i2 и фазы А первичной i1 обмоток трансформатора, тока iV и обратного
напряжения диодного плеча uV диода шестипульсовой схемы «Звезда – две взаимно
обратные звезды с уравнительным реактором» при γ > 0

7.

6.3.4 Режим работы схемы
При работе схемы возможны четыре режима:
1. Холостой ход, когда Id=0. Каждый диод и фаза трансформатор работает
2
независимо в течение V
, а мгновенное выпрямленное напряжение
6
изменяется по верхушкам u2 и от точки 6' до 1‘ оно равно u d
Амплитуда выпрямленного напряжения в этом режиме равна
ub 6
U d max 2U 2
Среднее значение выпрямленного напряжения согласно (6.2.1*) при m=6 и U‘d max
U d 0
2U 2 sin
6 1,35U
2
(6.3.3)
6
2. 0<Id<IdКР. В этом режиме каждый диод работает независимо в течение
2
, а с учетом коммутации 2 ,
V
V
6
6
где - угол коммутации тока с диода заканчивающего работу на включившийся

8.

Id
I УР max Режим условного холостого хода. В этом
3. Id=IdКР , т.е.
2
режиме работают параллельно диоды прямой и обратной звезды, имеющие в
данный момент максимальное напряжение на аноде. В момент 1 работают
параллельно V1, т.к. ua1 -> max в нечетной звезде, и V2, т.к. uc2 -> max в четной
звезде.
Для обеспечения параллельной работы диодов нечетной и четной звезды,
имеющих в данной момент максимальное напряжение на уравнительном
реакторе, должно наводиться напряжение eр , отмеченное на рис.6.3.3,а
ординатами вертикально и наклонно заштрихованных площадок, а на рис.6.3.3,б
приведены диаграммы напряжения eр и тока iур, под действием которого
наводится eр.
Видно, что частоты напряжения eр и тока iУР имеют тройную частоту по
сравнению с частотой питающей сети fур=3fc=3*50=150Гц.

9.

С учетом 6.3.6. Амплитуда выпрямленного напряжения
равна
(6.3.4)
U
2 U cos30 эл.
d max
2
Среднее значение выпрямленного напряжения при m=6 и Udmax
Ud0
2U 2 cos 30 sin
6 1,17U
2
6
Выпрямленное напряжение за период 2π имеет шестикратную
пульсацию (рис.6.3.3,а).
4. Id>IdКР. В этом режиме обеспечивается параллельная работа двух
диодов разных звезд, но в момент коммутации тока с диода, заканчивающего
работу, на диод вступающий в работу, в течение угла одновременно работают 3
диода (рис. 6.3.4)

10.

6.3.5 Работа схемы при Id=IdКP
Оказывается, сама схема обеспечивает прохождение тока ,
если Id/2 > IУР max. Пусть в момент времени работают параллельно
V1 и V2 и мгновенная схема имеет вид
Рисунок 6.3.5 – Мгновенная схема при работе V1 и V2

11.

В этом режиме можно выделить в схеме три рабочих контура:
по контуру
протекает ток Id/2 по цепи
a1–V1 - K – Д– Xd – O – O1– a1.
по контуру
протекает ток Id/2 по цепи
С2 – V2 – Д – Xd – O – O2 – C2.
Работающие диоды можно представить как включенные
выключатели, поэтому возникает контур
, по которому под
действием разности потенциалов ua1 - uc2 потечет переменный ток iУР
по цепи
a1 – V1 – K – V2 – C2 – O2 – O – O1 – a1.
Магнитный поток, создаваемый током iУР наводит в обмотках O1 – O2
ЭДС eр. Так как разность анодных напряжений изменяется с тройной
частотой по ординатам вертикально и наклонно заштрихованных
площадок (рис. 6.3.3,а), то ЭДС eр будет иметь тройную частоту
(рис. 6.3.3,б)

12.

Рассмотрим мгновенное выпрямленное напряжение при
работе V1 и V2.
Из контура
мгновенное значение выпрямленного
напряжения равно u u eP
d
a1
(6.3.4)
2
Из контура
напряжения равно
мгновенное значение выпрямленного
eP
u d uc 2
2
(6.3.5)
После сложения 6.3.4 и 6.3.5 найдем, что мгновенное значение
выпрямленного напряжения равно полу сумме напряжений
u a1 uc 2
работающих фаз
u
(6.3.6)
d
2
В таблице 6.3.1 приведена последовательность работы диодов и
напряжение ud за период от 0 до 2π

13.

Таблица 6.3.1 – Последовательность работы диодов за полный
период от 0 до 2
Период
времен
между
точками
1
2
Работает V1
диод
нечетной
звезды
Работает
диод
четной
звезды
ud
V6
3
4
6
V5
V3
V2
5
V4
1
V1
V6
u a1 ub 6 u a1 uc 2 uc 2 ub 3 ub 3 ua 4 ua 4 uc 5 uc 5 ub 6 u a1 ub 6
2
2
2
2
2
2
2

14.

6.3.6,а Распределение тока в фазах ВО
В момент Θ1 работают параллельно V1 и V2, поэтому ток в фазе a1
(рис. 6.3.3,г) и фазе c2 равны Id/2
6.3.6,б Распределение тока в фазах сетевой обмотки
Примем, что токи i1А, i1B, i1C направлены вверх. В момент 1 по первому закону
Кирхгофа для узла электрической цепи
i1A+i1B+i1C=0 (6.3.7)
по второму закону Кирхгофа для магнитной цепи
Id
Id
2 2 0
( 6 .3 .7 )
2
2
Id
i1A 1 i1B 1 2 0
(6.3.8)
2
Примем число витков первичной и вторичной обмотки равны 1 2 ,
i1A 1 i1C 1
Тогда коэффициен т траесформа ции Т
Id
из (6.2.4) получим i1C 2
2
Id
из (6.2.5) получим i1B
2
1
1
2
(6.3.10)

15.

Подставим из (6.2.6) в (6.2.3) получим 3i1A=3Id/2
Id
2
Id
2
0
i1A
Тогда с учетом (6.2.6)
i1B
i1C
(6.3.11)
Если Кт≠1,то токи должны быть разделены на Кт.
Таким образом в сетевой обмотке ток проходит в фазах, у которых
работают одноименные фазы вентильной обмотки и токи сетевой и
вентильных обмоток направлены встречно

16.

6.3.7 Основные расчетные соотношения схемы при Id=IdКР
Среднее значение выпрямленного напряжения для любой mпульсовой схемы
U d max sin
m
Из (6.2.I*) напряжение Ud0 равно U d 0
m
Для шестипульсовой нулевой схемы из рис. 6.3.1
напряжение U d max 2U 2 cos 30
число пульсаций за период 2π
Подставив значения m и Udmax в формулу Ud0 получим
Ud0
2U 2 cos 30 sin
6
6 1,17U
2
(6.3.I)
m=6

17.

Расчетные параметры диодного плеча
Амплитуда обратного напряжения диодного плеча
U V max U 2 Л max 6 U 2
(6.3.12)
С учетом (6.3.I) U
V max
6U d 0
2,09U d 0
1,17
(6.3.II)
По UV max определяется число последовательно соединенных
диодов в рабочем режиме.
Максимальное значение тока диодного плеча
IV max
Id
2
(6.3.III)
По IV max определяется ток перегрузки Ivпер и рассчитывается
число параллельно включенных диодов в режиме перегрузки
1 Id Id
Среднее значение тока
(6.3.IV)
IV
3 2
6
диодного плеча
По Iv рассчитывается число последовательно включенных
диодов при токе IdH

18.

Расчетные параметры обмоток трансформатора
Действующее значение тока ВО определяется из условия равенства
нагрева обмотки непрерывно протекающим током I2 за период 2π и
реальным током, протекающим через эту обмотку (рис.6.3.3)
2
I
2
(6.3.13)
I 22 2 r2 d
r2
2 3
Id
I2
2 3
По
I2
откуда
выбирается сечение фаз ВО.
(6.3.V)
Расчетная мощность, определяющая общие затраты
материалов на ВО при m2=6 с учетом (6.3.I) и (6.3.V)
Id Ud 0
S 2 6 I 2U 2 6
1,48Pd (6.3.VI)
Действующее значение тока СО 2 3 1,17
2
I 2
2
I
2
I1 2 r1 d d
r1 (6.3.14)
KT 2 KT 2 3
Id
(6.3.VII)
I1
KT 6
По I1 выбирается сечение фаз СО

19.

Расчетная мощность всех, определяющая общие затраты
активных материалов на фазы СО при m1=3 с учетом (6.3.I) и (6.3.VII)
U d 0 KT
Id
1,05Pd
S1 3 I1 U1 3
(6.3.VIII)
1,17
KT 6
Мощность УР
SУР 0,07Pd
Типовая мощность трансформатора
S1 S 2 1,48 1,05
ST
Pd 1,26 Pd
2
2
(6.3.IX)
(6.3.X)
Суммарная типовая мощность трансформатора и УР
ST ST SУР 1,33Pd
Выводы: 1. Основные недостатки
2. Достоинства
(6.3.XI)

20.

Основные достоинства:
Все диодные плечи находятся под одним потенциалом, поэтому
при применении многоанодных ртутных выпрямителей
упрощается изоляция системы охлаждения и поддержания
вакуума.
Основные недостатки:
1. Большая расчетная и типовая мощность трансформатора, а
следовательно большой расход активных материалов на
конструкцию трансформатора;
2. Наличие УР требует дополнительных затрат активных
материалов на конструкцию;
3. Возникновение скачка выпрямленного напряжения (пика
холостого хода) с Ud0=1.17U2 до U0‘=1,35U2 при уменьшении
тока с Id КР до Id=0 (рис. 6.3.6)
Это влияет отрицательно на работу машин ЭПС и освещения
вагонов.
4. Для устранения скачка выпрямленного напряжения необходимо
устанавливать утроители частоты.

21.

Пик
холостого
хода
Рисунок 6.3.6 – Внешняя характеристика шести пульсовой схемы
звезда – две обратных звезды с уравнительным реактором