Один из способов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением

Автор: Хохлов Юрий Иванович, Прохоров Владилен Владиленович

Журнал: Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика @vestnik-susu-power

Рубрика: Теплоэнергетика

Статья в выпуске: 12 (84), 2007 года.

Бесплатный доступ

Исследуется один из вариантов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением.

Короткий адрес: https://sciup.org/147158011

IDR: 147158011

Текст научной статьи Один из способов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением

Исследуется один из вариантов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением.

Потребление электрической энергии в ряде энергоемких отраслей промышленности осуществляется на постоянном токе с использованием полупроводниковых диодных преобразователей. При этом объекты электротехнологии и транспорта требуют оснащения выпрямительных агрегатов системами автоматического или ручного регулирования электрического режима. Но применение управляемых вентилей (тиристоров) зачастую нецелесообразно ввиду больших величин преобразуемой мощности. Вместе с тем существует эффективный способ управления диодными выпрямителями - дроссельное регулирование [1-4]. Оно, также как и тиристорное, с целью предотвращения резкого снижения энергетических показателей осуществляется в пределах одной ступени дискретного трансформаторного регулирования. Несмотря на то, что дроссельный способ управления не лишен определенных недостатков, существуют пути их преодоления [4-7].

В статье рассматривается один из способов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением на примере трехфазной мостовой схемы, представленной на рис. 1. Она основана на трех дросселях насыщения ДН1-ДНЗ, рабочие обмотки которых включены последовательно во вторичные фазные цепи трансформатора. Обмотки управления под ключены к тиристорному мосту VS1-VS6, замкнутому накоротко, а также к шинам выпрямленного напряжения Ud через дополнительный выпрямительный мост на вентилях VD7-VD12 (показан пунктиром). Обмотки смещения у ДН отсутствуют.

Работает схема следующим образом. При появлении положительного напряжения на соединенных последовательно рабочей обмотке ДН и вентиле основного моста VD1-VD6 последний открывается и дроссель начинает выводиться из ненасыщенного состояния. В это время ток через его рабочую обмотку изменяется пренебрежимо мало, и все напряжение вентильного плеча оказывается приложенным к ней. На этом этапе ДН представляет собой трансформатор напряжения, поэтому напряжение рабочей обмотки трансформируется в обмотку управления с коэффициентом k = W^f JPoP> 1. В момент времени, когда напряжение на соответствующем вентиле дополнительного моста VD7-VD12 становится положительным, он открывается и начинается процесс коммутации.

Таким образом, введение в схему дополнительного диодного моста VD7-VD12 позволяет процессу коммутации начаться не после насыщения ДН, а раньше, что приводит к уменьшению угла сдвига первой гармоники фазного тока трансформатора и, следовательно, к увеличению cos ф агрегата.

Длительность процесса выведения дросселей определяет угол дроссельного управления, а следовательно, и величину выпрямленного напряжения Ud- Оперативное изменение этого угла осуществляется открыванием в нужные моменты времени тиристоров VS1-VS6 [4-6], в результате чего ДН переводятся в режим трансформаторов тока и перестают оказывать влияние на цепи основных вентилей. Задержка моментов открывания тиристоров относительно точек пересечения фазных ЭДС определяется углом тиристорного управления аг схемы. За период питающего напряжения происходит два перемагничивания сердечников ДН.

В ходе анализа работы схемы была создана ее аналитическая модель, описывающая процессы в схеме в зависимости от соотношений углов а„ уь у2. На рис. 2 для примера показаны кривые фазного тока трансформатора и напряжения на нагрузке, полученные в результате просчета аналитической модели в программе Mathcad.

Помимо этого создана модель для численного исследования схемы в программе Matlab, изображенная на рис. 3. Формы токов и напряжений приведены для сравнения в обычном варианте (без дополнительных вентилей VD7-VD12) - рис. 4, а и при наличии таковых - рис. 4, б. Спектры фазного тока трансформатора показаны на рис. 5.

Видно, что включение дополнительного диодного моста оказывает положительное влияние на коэффициент сдвига, уровень гармоник фазного тока и уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Рис. 2

Примеры осциллограмм, снятых в процессе физического моделирования работы схемы, показаны на рис. 6. Здесь цифрами обозначены: 1 - фазная ЭДС трансформатора, 2 - фазный ток трансформатора, 3 - напряжение на дросселе насыщения, 4 - напряжение на основном вентиле, 5 - ток дополнительного вентиля, 6 - напряжение на дополнительном вентиле.

По результатам экспериментального исследования построен ряд характеристик. Так, на рис. 7, б показана область существования внешних характеристик исследуемой схемы в максимальном для нее диапазоне регулирования в сравнении с характеристиками схемы без дополнительных вентилей в этом же диапазоне регулирования (рис. 7, а). При угле ц. = 0 характеристики совпадают, а с увеличением угла управления ее жесткость у рассматриваемой схемы увеличивается. При этом глубина регулирования выпрямленного напряжения

Displacement Angle Displacement Factoi

Рис. 3

Напряжение и ток фазы трансформатора

Напряжение на дросселе насыщения

Напряжение и ток основного вентиля

Напряжение и ток вспомогательного вентиля

Напряжение на нагрузке

Н------------------------:------------:------------:------------------------:------------:------------ 1,--------------------

•1 ---------------------------------------------------------------------------------------------------- -1 ------------------------:------------:-------------------------------------:------------------------

О          0,01         0,02         0,03       0,04          0          0,01         0,02         0,03       0,04

Рис. 4

а)

б)

FFT window: 2 of 4 cycles of selected signal

1-------------,-------------1------------------------4             ,---------------------------■

FFT window: 2 of 4 cycles of selected signal

J.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075

Time (s)

a)

Рис. 5

^d max ^d mm Ud max

несколько меньше, чем в варианте без дополни тельного моста (рис. 8 а, б).

Энергетические характеристики рассматриваемой схемы существенно лучше, чем у аналогичной без дополнительного выпрямительного моста (рис. 9 а, б, показаны при одинаковом диапазоне регулирования выпрямленного напряжения,

Рис. 11

максимально возможном для схемы с дополнительным мостом, стрелкой показано направление перемещения характеристики при увеличении угла управления). С увеличением угла управления а, величина коэффициента сдвига первой гармоники тока cos ф схемы с дополнительным мостом ухудшается медленнее, а после а, = 60° начинает возрастать (рис. 10).

Зависимости коэффициента сдвига от глубины регулирования приведены на рис. 11. Здесь прямые линии соответствуют схеме без дополнительного моста, поднимающиеся вверх - исследуемой схеме.

На рис. 8, 10, 11 сплошной линией показаны соответствующие характеристики для номинального значения тока Id .

Необходимо отметить, что некоторое отличие характеристик на рис. 7-10а в относительных единицах от канонической формы обусловлено небольшой (порядка единиц киловатт) мощностью испытательного стенда, значительной величиной потоков рассеяния трансформатора, а также сравнительно большим активным сопротивлением нагрузки. Тем не менее, проведенные исследования позволяют однозначно оценить качественный характер процессов в рассматриваемой схеме.

При пересчете в относительные единицы в качестве базовых взяты

п т - 2лт

Л где Е2лт - амплитуда линейной ЭДС трансформа тора, хк - индуктивное сопротивление контура коммутации.

Все зависимости получены при к = 3. Увеличение этого коэффициента улучшает энергетические характеристики схемы, но снижает глубину регулирования выпрямленного напряжения, которая без учета коммутации определяется выражением

MJ*d =—— .

£ди+1

Анализ результатов моделирования и экспериментального исследования позволяет заключить, что введение в схему дополнительного выпрямительного моста на диодах PD7-VD12 обеспечивает улучшение коэффициента сдвига первой гармоники тока cos ф, но сопровождается сужением диапазона регулирования выпрямленного напряжения MJd.

Список литературы Один из способов улучшения энергетических показателей диодных выпрямителей с дроссельным управлением

  • Толстов Ю.Г. Силовые полупроводниковые выпрямители, управляемые дросселями насыщения/Ю.Г. Толстов, Г.П. Мосткова,Ф.И. Ковалев. -М.: Наука, 1968. -260 с.
  • Мосткова Г.П. Сравнение схем включения дросселей насыщения при использовании их для управления трехфазным полупроводниковым выпрямителем/Г.П. Мосткова, Ф.И. Ковалев//Электромеханика. -1962. -№ 5.
  • Хохлов Ю.И. Режимы работы компенсированных полупроводниковых выпрямителей/Ю.И. Хохлов, А.В. Баев//Промышленная энергетика, с комбинированным способом регулирования напряжения. -1974. -№ 8. -С. 16-20.
  • Хохлов Ю.И. Компенсированные выпрямители с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы, нечетнократных гармоник токов преобразовательных блоков/Ю.И. Хохлов. -Челябинск: ЧГТУ, 1995. -355 с.
  • Пат. 1781793 (РФ). Управляемый выпрямитель/Ю.И. Хохлов. -Бюл. изобр., 1992, № 46.
  • Хохлов Ю.И. Способы, дроссельного управления полупроводниковыми выпрямительными агрегатами/Ю.И. Хохлов, В.В. Прохоров//Промышленная энергетика. -2000. -№ 5. -С. 47-49.
  • Бобков А.В. Управляемый выпрямитель с фазоступенчатым регулированием выпрямленного напряжения для питания электролизеров/А.В. Бобков, В.А. Бобков, B.C. Копырин//Промышленная энергетика. -2000. -№ 6. -С. 42-45.
Еще
Статья научная