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;  — сопротивление дросселя.
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.
|