Развитие схемотехники выпрямителей на базе кольцевой схемы

В выпрямительной технике широко известна кольцевая схема [3], позволяющая получить длительность протекания тока через вентиль в течение 60 эл. град. при амплитуде тока, равной току нагрузки. Однако такая форма тока вентиля не является оптимальной из-за коэффициента формы. На основе этой схемы впервые была создана 6-фазная кольцевая схема с уравнительным реактором (УР) [2; 1] (рис. 1). Ее достоинством является протекание тока через вентиль в течение 120 эл. град. при амплитуде тока, равной половине тока нагрузки.

Согласно рис. 1, кольцевая схема с УР содержит следующее: 3-фазный силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками, каждая из которых соединена в звезду; шесть вентилей, соединенных в замкнутое кольцо так, что каждая фаза одной вторичной обмотки через вентили связана с разноименными фазами второй вторичной обмотки; УР, выполненный current-balancing reactor, gate, modelling, voltage, в виде трех обмоток со средней точкой, расположенных на одном магнитопроводе (средняя точка каждой обмотки реактора подключена к одной из фазных обмоток одной группы вторичных обмоток трансформатора, а сама обмотка реактора последовательно соединена с одноименными электродами двух вентилей, через которые указанная фазная обмотка соединена с разноименными фазами второй вторичной обмотки. Обмотки реактора соединены между собой через вентили по схеме треугольника).

Формирование напряжения ud на нагрузке Rd–Ld осуществляется на основе поочередного выравнивания с помощью УР двух анодных ЭДС одной и другой звезд. Данная схема была промоделирована в программе P-SIM [4] в неуправляемом и управляемом режимах и проверена экспериментально. Результаты моделирования приведены на рис. 2, осциллограммы ее экспериментальной проверки – на рис. 3.

Р и с . 1. Кольцевая схема с УР

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

а) ud – напряжение на нагрузке при α=0, ua – фазное напряжение вторичной обмотки при α=0; б) iRL1 – ток нагрузки при α=0, iV1– ток вентиля при α=0; в) i1a – ток первичной обмотки при α=0; г) uk – напряжение обмотки реактора при α=0; д) ud – напряжение на нагрузке при α=60, ua – фазное напряжение вторичной обмотки при α=60; е) iRL1 – ток нагрузки при α=60, iV1– ток вентиля при α=60; ж) i1a – ток первичной обмотки при α=60; з) uk – напряжение обмотки реактора при α=60

Р и с . 2. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы, полученные при моделировании

a) «                      . . . . 1 ,

Напряжение на нагрузке

Напряжение на вентиле

Напряжение обмотки УР

Р и с . 3. Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы, полученные при экспериментальной проверке α=0

Серия «Естественные и технические науки»

Как моделирование, так и экспериментальная проверка подтвердили работоспособность схемы в соответствии с

Рис . 4. 12-пульсная схема с УР

теоретическим анализом. Дальнейшим развитием кольцевой схемы с УР стало создание 12-пульсной схемы (рис. 4).

Эта схема была промоделирована в программе P-SIM и проверена экспериментально. Диаграммы напряжений и токов, полученные в результате моделирования и экспериментальной проверки на макете, приведены, на рис. 5–6.

а) ua – фазное напряжение вторичной обмотки, uH – напряжение на нагрузке, uvk – напряжение на кольцевой группе вентилей, uvm – напряжение на мостовой группе вентилей; б) iD6 – ток вентиля кольцевой группы, iD9 – ток вентиля мостовой группы, iZ – ток нагрузки; в) ia0 – ток первичной обмотки трансформатора; г) up – напряжение обмотки уравнительного реактора

Р и с . 5. Диаграммы токов и напряжений на элементах 12-пульсной схемы, полученные при

Экспериментальная проверка схемы проводилась на макете, состоявшем из силового 3-фазного трансформатора с двумя вторичными обмотками габаритной мощностью 3 кВА, трех блоков вентилей, соединенных согласно схеме (см. рис. 4), УР и нагрузки из реостата и дросселя. Питание первичных обмоток осуществлялось от лабораторной 3-фазной сети 220В, фазное напряжение вторичных обмоток составляло 24В. Транс- моделировании.

форматор и реактор были изготовлены из магнитопроводов.

Диаграммы напряжений, полученные в результате эксперимента, полностью подтвердили результаты теоретического анализа и моделирования.

Напряжение на нагрузке (см. рис. 6) формировалось путем сложения двух фазных напряжений одной звезды с фазным напряжением другой звезды и напряжением обмоток УР.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2

Усиленная переменная составляющая, вход AC

Р ис . 6. Диаграммы выпрямленного напряжения на нагрузке

Согласно диаграмме спектра выпрямленного напряжения (рис. 7), в выпрямленном напряжении при преобладающей двенадцатикратной частоте

Frequencies (Hz)

Ри с . 7. Диаграмма спектра выпрямленного напряжения на нагрузке 12-пульсного выпрямителя

Двенадцатикратная частота пульсаций получалась путем сложения напряжений мостовой и кольцевой схем с УР, сдвинутыми на 30 эл. град. за счет работы УР. При увеличении тока нагрузки выходное напряжение выравнивалось, что объ- пульсаций содержатся и другие частоты, что обусловлено некоторой асимметрией вторичных фазных напряжений в трансформаторе.

Серия «Естественные и технические науки»

ясняется лучшей работой УР. При этом напряжение на УР имело вид, представленный на рис. 8. В ходе эксперимента были выявлены также некоторые особенности в работе реактора, обусловленные коммутацией вентильных элементов.

Р и с . 8. Диаграммы напряжения на полуобмотке УР

Из диаграмм напряжения на вентилях разных групп (рис. 9) следует, что все вентили проводят ток в течение 120 эл. град. и начало проводи- но на 30 эл. град. При этом величина обратного напряжения вентилей моста и кольца отличается в 2 раза, но не превышает величины выпрямленного мости разных групп вентилей смеще- напряжения на нагрузке.

Р и с . 9. Диаграммы напряжений на вентилях разных групп

Проверялась также работа схемы с двумя нагрузками (см. рис. 4): одна из них подключалась на выход 12-пульс-ной схемы, другая – к нулевым точкам звезд, что показало возможность подключения двух нагрузок без их влияния друг на друга.

Таким образом, основные параметры схемы полностью соответствуют моделям и расчетным данным. Это схемотехническое решение имеет ряд преимуществ по сравнению с классическими схемами (два моста, соединенных последовательно), используемыми в таких преобразователях, как В-ТПЕД и В-ТППТ и предназначенными для тяговых подстанций электрифицированных железных дорог фирмы «ESTEL» (г. Таллин). Моделирование и экспериментальная проверка подтвердили работоспособность схемы и обеспечение требуемых параметров.

ВЕСТНИК Мордовского университета | 2014 | № 1-2