CC BY
13
ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRЮRI. СЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
№ 4 2015
УДК 621.314.632
ДВЕНАДЦАТИФАЗНАЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМЛЕНИЯ С КОЛЬЦЕВЫМ КОММУТАТОРОМ
Игольников Юрий Соломонович
кандидат технических наук Нестеров Сергей Александрович
кандидат технических наук Федотов Юрий Борисович
кандидат технических наук Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск
аи^ог@аргюг1-ригпа!. ги
Аннотация. В статье описывается эквивалентная 12-фазная схема выпрямления трехфазного тока, в которой соединенные друг с другом анодная и катодная группы вентилей трехфазных мостов заменены кольцевым вентильным коммутатором, что позволяет снизить прямое падение напряжения не вентилях выпрямителя. Произведен расчет основных соотношений для схемы выпрямления, приведены векторная и временные диаграммы ее работы.
Ключевые слова: выпрямитель трехфазного тока; 12-фазная схема выпрямления; кольцевой коммутатор.
12-PHASE SERIAL RECTIFIER WITH THE RING DIODE COMMUTATOR
Igolnikov Yuri Solomonovich
candidate of technical sciences Nesterov Sergey Alexandrovich candidate of technical sciences Fedotov Yuri Borisovich
candidate of technical sciences Ogaryov Mordovia State University, Saransk
Abstract. This paper describes 12-phase serial rectifier circuit in which connected anode and cathode groups of diodes are replaced with the ring diode commutator. It reduces forward voltage drop on diodes and improves the efficiency of the rectifier. The calculation of key ratios and time waveforms of currents and voltages for the rectification circuit are presented.
Key words: 3-phase current rectifiers; 12-phase rectifier; ring diode commutator.
Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения и улучшения гармонического состава тока, потребляемого из сети, в мощных установках находит применение двенадцатифазная схема выпрямления на базе последовательно соединенных трехфазных мостов [1; 2]. Мосты питаются от отдельных вторичных обмоток трансформатора, одна их которых соединена в треугольник, а другая - в звезду. За счет сдвига фаз между одноименными линейными напряжениями вторичных обмоток на угол п/6 обеспечивается режим выпрямления с фазностью т = 12, что обес-
печивает весьма низкий коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (1,4 % по основной гармонике). Ток, потребляемый из сети, содержит только гармоники с номерами 12п ± 1, где п = 1, 2, 3, ..., поэтому доля высших гармоник в сетевом токе невелика (9,1 % для 11-й гармоники и 7,7 % для 13-й гармоники) [1; 2].
Существенным недостатком такой схемы является пониженный КПД, поскольку выпрямленный ток протекает через четыре последовательно соединенных вентиля, создавая прямое падение напряжение и потери мощности на каждом из них.
С целью повышения КПД выпрямительной установки предлагается соединенные друг с другом анодную и катодную группы вентилей, принадлежащих разным мостовым секциям, заменить кольцевым вентильным коммутатором [3]. При этом схема приобретает вид, показанный на рис. 1.
А В С
Рис. 1. 12-фазная схема с кольцевым коммутатором
Произведенная замена не отражается на работе секций. По-прежнему, мгновенные значения выпрямленного напряжения для каждой секции представляют собой огибающие соответствующей шести-фазной системы линейных ЭДС (рис. 2 а). Суммируясь на участке
нагрузки, они дают двенадцатифазную кривую выпрямленного напряжения, среднее значение которого равно
и. = ^ио» * 2,70^ог.. а п 2е 2е
Порядок работы вентилей катодной и анодной групп остается таким же, как и в исходной схеме (рис. 2 б, в). Угол проводимости для них составляет Л = 2п/3, а средние и действующие значения токов равны соответственно: ¡уср = ¡с /3 и /у = /^/л/3 * 0.577/^ .
Вентили кольцевого коммутатора работают последовательно, по порядку номеров, коммутируя выпрямляемые ЭДС секций (рис. 2 г). Например, на интервале от п/6 до п/2 выпрямляются линейные ЭДС и'у и иЬа. При этом ток протекает от зажима а' треугольника через вентиль У1М, нагрузку, вентиль У6М, фазы Ь и а звезды и возвращается к зажиму Ь треугольника. Очевидно, что на данном интервале должен работать вентиль У3К. В момент п/2 происходит коммутация тока с ЭДС и'у на ЭДС и'а. Теперь ток возвращается к зажиму с' треугольника, поэтому происходит коммутация тока с V3K на V4K. Рассматривая два последующих интервала, легко заметить, что на этих интервалах ток по-прежнему протекает от фазы а звезды к зажиму с' треугольника, следовательно, коммутаций вентилей в кольцевой секции не происходит и вентиль V4K работает в течение трех межкоммутационных интервалов подряд.
Таким образом, углы проводимости вентилей кольцевого коммутатора неодинаковы. Для вентилей с нечетными номерами угол проводимости равен Л = п/6, а для вентилей с четными номерами Л = 2п/2. Соответственно, различаются средние и действующие значения токов вентилей. Для вентилей с нечетными номерами они равны:
^ср = ¡с/12 « 0,083 с и /у = /6/243 * 0,289/^ ,
а для вентилей с четными номерами
¡уср = ¡с/4 = 0,25 с и ¡уср = ¡с/2 = 0,5 с .
Рис. 2. Временные диаграммы работы схемы
Нетрудно заметить, что эти значения ниже, чем для вентилей катодной и анодной групп. Это является дополнительным преимуществом схемы, поскольку вентили кольцевого коммутатора выбираются на меньший ток.
Описанный выше принцип работы схемы может быть проиллюстрирован также и с помощью векторной диаграммы, приведенной на рис. 3.
Кривая выпрямленного напряжения на нагрузке формируется симметричной двенадцатифазной системой напряжений, которая получается в результате сложения линейных напряжений обмотки, соединенной в звезду с соответствующими линейными напряжениями обмотки, соединенной в треугольник.
Рис. 3. Векторные диаграммы напряжений схемы
Так, например, вектор Uaby< образуется в результате сложения линейного напряжения звезды Uab с фазным напряжением Uy< треугольника, а вектор Uaba - в результате сложения этого же линейного напряжения с фазным напряжением Ua треугольника. Под действием напряжения, обусловленного вектором Uy, ток нагрузки будет протекать по цепи: фазы a звезды вентиль V3K, фаза y треугольника (зажимы b - a'), вентиль V1M, нагрузка, вентиль V6M, фазы b звезды.
Аналогично можно проследить за порядком работы остальных фаз обмоток, соединенных в звезду и треугольник, и связанных с ними вентилей. В любой момент времени ток протекает через три последова-
тельно соединенных вентиля, что обеспечивает повышенный КПД по сравнению с традиционной схемой.
Обратные напряжения на вентилях катодной и анодной групп имеют ту же форму, что и в трехфазной мостовой схеме [1; 2], а их максимальное значение равно амплитуде линейного напряжения обмоток:
ит =^и2ё=П * 0'524иь ■
Обратные напряжения на вентилях кольцевой группы существенно выше, поскольку на отдельных участках они определяются суммой линейных напряжений обеих вторичных обмоток. Мгновенные значения напряжений на вентилях У2К и УЭК для разных интервалов проводимости приведены в таблице 1.
Таблица 1
Напряжения на вентилях для разных интервалов проводимости
Проводит У1К У2К УЭК У4К У5К У6К
и2К и'у 0 иав иав+ и'с Щь + иС иаЬ+ и'у
иэК иео+ и'у ива 0 и'с иеЬ+ иС иеЬ+ и'у
Кривые обратных напряжений на этих вентилях приведены на рис. 2 д. Максимальное обратное напряжение на вентиле кольцевой группы равно:
иУт = 2^и2ёС051П " 2'732и2ё "1'012^ ■ Расчет трансформатора производится как и для традиционной две-надцатифазной последовательной схемы. Действующие значения фазных токов для обмотки соединенной в звезду 12 = 0,817/^, а для обмотки, соединенной в треугольник /2 = 0,471 Расчетные мощности этих обмоток одинаковы: Б2 = = 0,524РЙ. Суммарная мощность вторичных обмоток равна 521 = 1,05Р,^.
Действующее значение тока первичной обмотки равно:
= 1,577 ^, • к-КО
где кТ - коэффициент трансформации, определенный для вторичной обмотки трансформатора, соединенной в звезду (для вторичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, коэффициент трансформации равен КО = КОД/э). Расчетная мощность первичной обмотки равна 5-1 = 1,012Рс1 и типовая мощность трансформатора, определяемая как среднее арифметическое расчетных мощностей его обмоток, равна Бг = 1,03Я*
Коммутация вентилей в схеме происходит точно так же, как и в трехфазной мостовой схеме. Коммутирующим напряжением является линейное напряжение соответствующей обмотки. За период частоты питающей сети в каждой вторичной обмотке происходит шесть коммутаций. При этом в трех коммутациях участвуют вентили катодной (или анодной для обмотки, соединенной в звезду) группы и в трех коммутациях -вентили кольцевой группы. Коммутационные потери напряжения на каждом интервале коммутации будут такими же, как и трехфазной мостовой схеме. Таким образом, среднее значение коммутационных потерь напряжения будет вдвое больше, чем в трехфазной мостовой схеме, но и среднее значение выпрямленного напряжения в рассматриваемой схеме вдвое выше. Следовательно, уравнение внешней характеристики выпрямителя будет иметь тот же вид, что и в трехфазной мостовой схеме:
3
Ud = 0 Ха1б ,
п
где Ха - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки трансформатора.
Таким образом, рассмотренная схема, сохраняя все достоинства традиционной схемы (низкий коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, хороший гармонический состав тока, потребляемого из се-
ти и низкую типовую мощность трансформатора), имеет и существенные преимущества: более низкое прямое падение напряжения на вентилях и меньшие значения рабочих токов для шести вентилей из двенадцати. Следует также отметить, что данная схема не требует использования каких-либо дополнительных элементов, усложняющих и удорожающих конструкцию выпрямителя.
Список использованных источников
1. Попков О.З. Основы преобразовательной техники. М.: Изд-во МЭИ, 2005. 200 с.
2. Полупроводниковые выпрямители / Е.И. Беркович, В.Н. Ковалев, Ф.И. Ковалев и др. / ред. Ф.И. Ковалев, П.П. Мосткова. М.: Энергия, 1978. 447 с.
3. Преобразователь переменного напряжения в постоянное: а. с. 995231 СССР: МПК5 Н 02 М 7/06 / О.Н. Дегтярев (СССР). № 2920432; заявл. 07.05.80; опубл. 07.02.83, Бюл. № 5. 3 с.
