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 JPo_P> 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 а_г 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„ у_ь 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 I_d .

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 MJ_d.