Двенадцатипульсовые схемы управляемых выпрямителей

1.

6.8 Двенадцатипульсовые схемы управляемых
выпрямителей
6.8.1 Типы двенадцатипульсовых схемы управляемых
выпрямителей и их описание
1. 12п. последовательного типа
12посл (рис.6.8.1)
2. 12п. параллельного типа
12п пар (рис.6.8.2)
6.8.2 Условия получения 12 пульсового режима выпрямления
Для получения 12-пульсового режима выпрямления необходимо
выполнить 2 условия:
1. Угол сдвига между одноименными линейными напряжениями
ВО “У” и ВО “Д” должен составлять 30° эл;
2. Выпрямленные напряжения Ud1, Ud2 выпрямительных мостов
UD1 и UD2 должны быть равны.
Первое условие достигается тем, что вентильные обмотки
трансформатора соединены в “У” и “Д”, векторные диаграммы
которых приведены соответственно на рисунке 6.8.3.

2.

Рисунок 6.8.1 – Схема 12П выпрямителя последовательного типа

3.

Рисунок 6.8.2 – Схема 12П выпрямителя параллельного типа

4.

а)
б)
Рисунок 6.8.3 - Векторные диаграммы напряжений ВО «У» (а) и ВО
«Д» (б).
Чтобы Ud1=Ud2 необходимо U
(6.8.1)
U ,
2 ЛУ
2 ЛД
U 2 ЛУ 3U 2фу ,
а в «Д» U 2 ЛД U 2 фД .
Но в «У»
(6.8.2)
Подставив из (6.8.2) в (6.8.1), найдем связь действующего значения
напряжения и числа витков ВО “У” и “Д”
U 2 ЛД 3U 2фу ,
(6.8.3)
2 Д 3 2 У

5.

6.8.3 Отличительные особенности схем
а) 12п. посл.
б) 12п. пар.
1. По включению UD1 и UD2
U d1 U d 2 U d ,
Ud
U d1 U d 2
,
2
I d1 I d 2 I d
U d1 U d 2 U d
(6.8.4)
I d1 I d 2
(6.8.5)
Id
2
Рисунок 6.8.4 - Схемы замещения 12-пульсовых выпрямителей
последовательного (а) и параллельного (б) типов

6.

а)
е) iУ2
ж)
б)
в)
з)
и)
г)
д)
к)

7.

Рисунок 6.8.5 - Временные диаграммы напряжений u2y
(a),выпрямленного напряжения udα1 (а) и тока i2y (г) ВО1
соединенной в ”У”, тока управления тиристоров UD1 iy1 (б), тока
нагрузки id1 и порядок его прохождения через тиристоры UD1 (в),
напряжений u2Д (д), выпрямленного напряжения udα2 (д), токи i2Д
(з) ВО2 соединенной в ”Д” , тока управления тиристоров iy2 (e),
тока нагрузки id2 и порядок его прохождения через тиристоры
UD2 (ж), результирующего выпрямленного напряжения Udα0 (и),
токи сетевой обмотки i1 (к)

8.

6.8.5 Теория работы схемы
Примем, что напряжение в питающей сети, а следовательно во
вторичных обмотках синусоидальное
(6.8.6)
u 2 2U 2 sin
Построим временные диаграммы u 2 У , u 2 Д с учетом сдвига их на
30° эл.
Рассмотрим работу схемы в момент Θ1
В UD1 работает V1, т.к. u ау max и он открыт током iy1 ;
и V2, т.к. uсу min и он открыт током управления iy2 .
Потенциал общего катода К1принимает значение u K1 u ау
u
u
А
1
су
Потенциал общего анода А1 принимает значение
Мгновенное значение выпрямленного напряжения
u d1 u K1 u A1 u ау u су
(6.8.7)

9.

Аналогично в UD2 работает V7, т.к.
током iy7 ;
V8, т.к.
u аД max
uсД min
и он открыт
и он открыт
током управления iy8 .
Потенциал К2 принимает значение
u K 2 u аД
Потенциал А2 принимает значение
u А 2 u сД
Мгновенное значение выпрямленного напряжения
u d 2 u K 2 u A 2 u аД u сД
(6.8.8)

10. Таблица 6.8.1 - Последовательность подачи импульсов тока управления и работы тиристоров УВ за период 0≤Θ≤2π

В UD1
на тиристоры
V1, V3, V5
V2, V4, V6
подать ток управления
iУ1, iУ3, iУ5
iУ2, iУ4, iУ6
в точках
1", 3" , 5"
2", 4" , 6"
1,
2,
на угол α позже точек
3,
5
4,
6
B UD2
на тиристоры
V7, V9, V11
V8, V10, V12
подать ток управления
iУ7, iУ9, iУ11
iУ8, iУ10, iУ12
в точках
7", 9" , 11"
8", 10" ,
12"
7,
8,
12
на угол α позже точек
9,
11
10,

11.

Таблица 6.8.2, a - Последовательность работы тиристоров в UD1 и
мгновенное значение udα1 за полный период от 0 до 2π
Период 1"
времени
между
точками
Работает
тиристор
катодной
группы
Работает
тиристор
анодной
группы
V6
Потенциал
uк1
3"
5"
2"
1"
4"
V1
6"
V3
V5
V2
V1
V4
uay
V6
uby
ucy
uay
Потенциал
uА1
uby
ucy
uay
uby
Мгновенное
значение
udα1
uaby
uacy
ubcy
ubay
ucay
ucby
uaby

12.

Таблица 6.8.2, б - Последовательность работы тиристоров в UD1 и
мгновенное значение udα2 за полный период от 0 до 2π
Период времени,
между точками
7“
9“
8“
Работает
тиристоры
катодной группы
V7
Работает
тиристоры
анодной группы
V12
uК 2
ua Д
uA 2
ub Д
uc Д
udα2
uab Д
uac Д
11 “
10 “
V9
V8
12 “
V11
V10
ub Д
V7
V12
uc Д
ua Д
ubc Д
7“
uba Д
ua Д
ub Д
Uca Д ucbД
uab Д

13.

Таблица 6.8.2, в - Последовательность работы тиристоров в UD2 и
мгновенные значения выпрямленного напряжения udα за полный
период от 0 до 2π
Примечание: в схеме параллельного типа вместо Id (подставлять Id/2)

14.

6.8.6а Распределение тока в фазах ВО1, соединенной в Y
Если вентильная обмотка ВО1 соединяется в Y, то в любой момент
времени работают две фазы .
В момент Θ1, когда работают V1 и V2, ток Id проходит через фазы
ay , cy (рисунок 6.4.1и6.4.2).
Таким образом в любой момент времени ток в фазах вентильных
обмотках ВО1 проходит при работе тиристоров включенных в
данную фазу и равен Id.
Примечание: В 12П пар. схеме вместо Id подставлять

15.

6.8.6 (б) Особенности распределения тока в фазах ВО2,
соединенной в «Д»
.
Если вентильная обмотка ВО2 соединяется в Д, то в любой
момент времени работают все фазы аД ,bД, сД.
Ток распределяется обратно пропорционально сопротивлению
цепи тока.
2
i
IИ ,
aД
В момент Θ1, когда работают V7 и V8, токи
а токи
3
ibД icД
1
Id .
3
Т.о., ток в фазе начало и конец которой подключен к работающим
1
2
I d , а в остальных фазах I d .
тиристорам, равен
3
3

16.

6.8.6 (в) Распределение тока в фазах СО
Мгновенное значение токов в фазах СО
i 2У
i 2Д
i1
,
к ТУ к ТД
(6.8.9)
где КТУ – коэффициент трансформации обмотки звезда
к ТУ
U1
,
U 2У
(6.8.10)
где КТУ – коэффициент трансформации обмотки треугольник
к ТД
С учетом (6.8.10)
U1
U1
к
ТУ
U2Д
3U 2 У
3
i1 i 2 У i 2 Д
(6.8.10)
1
3
к ТУ
(6.8.11)
По данным таблиц 1 и 2 с учетом (6.8.11) построим диаграммы id, i2У, i2Д, i1.

17.

6.8.7 Основные расчетные соотношения.
6.8.7а Среднее значение выпрямленного напряжения
По аналогии с разделом 6.8.3 с учетом соотношений (6.8.4) и
(6.8.5) рассмотрим основные расчетные соотношения и их вывод.
Из 6.7.2 для 6 п м известно
U d(60) 2,34 U 2 y cos
Тогда
а) для схемы 12п посл
U d 0 U d 01 U d 02
2U
( 6)
d 0
4,68U 2 y cos
(6.8.I3)
(6.8.I2)
б) для схемы 12п пар
U d 0
U d( 60)
U d 01 U d 02
2
2,34U 2 y cos
(6.8.I3')

18.

6.8.7б Расчетные параметры диодного плеча
для схемы 12п посл
для схемы 12п пар
Амплитуда обратного напряжения
U v max U 2 Ë max 3 2U 2 y
U v max 6U 2 y
(6.8.I4)'
(6.4.I4)
6U 2 y
с учетом (6.8.I)
с учетом (6.8.I')
U v max
6U d 0
0,529U d 0 (6.8.5),
4,68
U v max
6U d 0
1,045U d 0 (6.8.I5)'
2,34
Максимальное значение тока диодного плеча
I v max I d
(6.8.16)
I v max
Id
2
(6.8.16)'
Среднее значение тока диодного плеча
Id
Iv
3
(6.8.17)
1 Id Id
Iv
3 2
6
(6.8.17)'

19.

6.8.7в Расчетные параметры обмоток трансформатора
Действующее значение тока ВО1 “У”
12п посл
12п пар
1 2 2π
2
2 Id
I2 y
(6.8.18)
(6.8.18) '
I2 y
I d 2
Id
3 2
2π
3
3
Аналогично из временной диаграммы i2Д действующее значение
тока ВО2 “Д” равно:
I2 Ä
2
Id
3
1
2
1 2 2 2 2 2 1 2 2
I d
Id
Id
2
3
6
3
6
3
6
2 Id
I2 Ä
3 2
(6.8.19)'
(6.8.19)
Из диаграммы i1 действующее значение тока I1 СО равно:
2
2
2
1 Id 1 Id 1 Id 2
I1
2 2 1 2 1 2
2 к Т 3 6 к Т
3 6 кТ
3 3
I
(6.8.20)
1,577 d
кТ
Id
I1 1,577
2 KT
(6.8.20) '

20.

6.8.7г Расчетная мощность вентильных обмоток
12п посл
12п пар
S2 S2 y S2 Д 2 S2 y 2 m 2 y U 2 y I 2 y
(6.8.21’)'
S
1
,
047
P
2
d
Ud0
2
2 3
I d 1,047 Pd
(6.8.21)
4,68 3
Расчетная мощность СО
1,57 I d KT U d 0
S1 m1 I1 U1 3
KT
4,68
1,012 Pd
S1 1,012Pd
(6.8.22’) '
(6.8.22)
Мощность УР
SУР 0
(6.8.23)
SУР 0,02Pd (6.8.23’) '
Типовая мощность трансформатора
S1 S2
SТ
1,029Pd (6.8.24) SТ (1,029 0,02)Pd (6.8,2I’) '
2

21.

Таблица 6.8.3 - Основные расчетные соотношения.

22.

6.8.8 Угол коммутации
Угол коммутации равен
2k сх I d x V
arccos cos
6U 2 y
(6.8.25)
Из (6.8.25) видно, что при изменении тока 0≤Id≤ Id max ,
угол коммутации γ изменяется в пределах 0≤γ≤ γ max (6.8.26)
22

23.

Индуктивное сопротивление фазы цепи коммутации
определяется по формуле
3 U 22 Y u К
XV
103 ,
S1H 100
(6.8.27)
где
U2Y – номинальное действующее значение фазных
напряжений вентильных обмоток, соединенных в «звезду», кВ;
uК – напряжение К.З цепи коммутации, %;
S1Н – номинальная мощность сетевой обмотки, кВА.
Напряжение короткого замыкания цепи коммутации равно
uK=uKС+uKТ ,
(6.8.28)
где uKТ – коммутационное напряжение КЗ преобразовательного
трансформатора, %;
uКС – напряжение КЗ питающей цепи, %.
S
(6.8.29)
u 1Н 100% ,
КС
S
КЗ
где SКЗ – мощность КЗ на шинах, питающих преобразовательный
23
трансформатор, кВА.

24.

6.8.9Внешние характеристики управляемого выпрямителя
Внешней характеристикой управляемого выпрямителя называется
зависимость
U d f ( I d )
Согласно теории работы УВ выпрямленное напряжение с
увеличением тока нагрузки возрастает и равно
U d U d 0 U U П
(6.8.30)
Через известные параметры схемы и преобразовательного
трансформатора выпрямленное напряжение УВ определяется
уравнением
U d
uКЗ I d
U d 0 cos A
100 I dН
U П
(6.8.31)
24

25.

m=12
о
}α=0
m=6
m=12
m=6
эл
о
эл
}α=60
Id
IdН
Рисунок 6.8.6 – Внешние характеристики 6 и 12 пульсовых
управляемых выпрямителей при α=0о эл и α=60о эл

26.

Падение напряжения в тиристорах управляемого
выпрямителя
K CX I d
U П ps U ( TO )
rТ ,
3 а
(6.8.32)
где p – число последовательно работающих плеч преобразователя;
p=4 для 12 П.ПОСЛ.
р=2 для 12 П.ПАР.
s, a – число последовательно и параллельно включенных
тиристоров в одном плече УВ;
А – коэффициент наклона входной характеристики схемы (А=0,5
для m=6; А=0,266 для m=12);
uКЗ – напряжение короткого замыкания цепи коммутации;
UТО, rT – пороговое напряжение и дифференциальное
сопротивление тиристора
26

27.

6.8.10(a) Коэффициент мощности
Коэффициентом мощности выпрямителя называется отношение
активной мощности, потребляемой из сети к полной мощности,
потребляемой из сети и равен
P1a m1U1I1(1) cos 1(1) I1(1)
(6.8.33)
cos 1(1) ,
S1
m1U1I1
I1
где P1a, S1 – активная и полная мощность потребляемая выпрямителем из
сети, возвращаемая инвертором в сеть;
I1(1), I1 – действующее значение основной гармоники и полного тока
фазы СО;
1(1) – сдвига тока i1(1) относительно напряжения u1.
I1(1)
Отношение I1 называется коэффициентом искажения тока
При идеальном трансформаторе (γ=0)
ν=0,955 для m=6
ν =0,988 для m=12

28.

Рисунок 6.8.7 - Временные диаграммы напряжения и тока фазы А

29.

Рисунок 6.8.8 – Векторная диаграмма токов сетевой
обмотки выпрямителя

30.

Угол сдвига основной гармоники тока относительно напряжения
1(1)
(6.8.34)
2
Активная составляющая основной гармоники тока
I1a I1(1) a I1(1) cos
2
Реактивная составляющая основной гармоники тока
I1(1) r I1(1) sin( )
(6.8.35)
(6.8.36)
2
Полный реактивный ток с учетом тока Iх.х трансформатора
I1r I1(1) sin I XX
(6.8.37)
2
Полный ток потребляемый из сети
I1 I I
2
1a
2
1r
(6.8.38)

31.

6.8.10,б Угол сдвига тока относительно напряжения сетевой
обмотки
Определим cosφ инвертора с учетом тока холостого хода.
После подстановки значения I1а из (6.8.35), I1r из (6.8.37) из (6.8.38) и ряда
преобразований значения cosφ определяется из выражения
I1a
cos 1
I1
I1(1) cos
2
2
I1(1) cos 2 I1(1) sin 2 I XX
2
(6.8.39)

32.

6.8.10,в Коэффициент мощности
Коэффициент мощности УВ с учетом коэффициента искажения
ν и cosφ1 (6.8.39) равен
cos
2
2
I % I
I % I
1 XX dн 2 XX dн sin
2
100 I d
100 I d
(6.8.40)
На рисунке 6.8.10 показана зависимость коэффициента мощности шести и
двеннадцатипульсового выпрямителя от тока нагрузки Id и коэффициента
мощности шести и двеннадцатипульсового инвертора от входного тока IИ

33.

}α=0
m=12
β1 { m=6
β2 {
m=12
m=6
m=12
m=6
}α>0
Рисунок 6.8.10 – Коэффициент мощности 6 и 12 пульсовых
управляемых выпрямителей и инверторов

34.

6.8.11 Коэффициент полезного действия (КПД)
КПД выпрямителя называется отношение активной мощности на
выходе выпрямителя Pdα передаваемой электроподвижному составу
(ЭПС) полной мощности, потребляемой выпрямителем из сети
Pd
1
1
Pd Pd 1 Pd 1 Pd
Pd
U d I d
(6.8.41)
Мощность отдавания выпрямителем ЭПС через КС
Pd U d I d
(6.8.42)
6.8.11б Суммарные потери мощности в преобразовательном
агрегате
Pd PT PП PСУ
POX PУ
(6.8.43)

35.

Потери мощности в преобразовательном трансформаторе
2
PT PXX
I
d PКЗ
I dH
(6.8.44)
где ∆Pхх (∆P’хх) - потери холостого хода (в стали);
∆PКЗ (∆PКЗ’) – потоки К.З. (в меди) при номинальном токе нагрузки
Потери мощности в диодных и тиристорных плечах
K I K
PП I d p s U TO rT CX d CX
a
3
(6.8.45)
где a, s – число параллельно и последовательно включенных П.П. в плече;
P – число последовательно работающих плеч преобразователя;
Ксх – коэффициент схемы

36.

Потери мощности в сглаживающих реакторах сглаживающих устройств
(фильтров)
PСУ rСУ I
2
d
(6.8.46)
где rсу – активное сопротивление сглаживающего реактора
PУ 0
Мощность системы управления
для диодов
(6.8.47)
Мощность системы охлаждения
а) при естественном охлаждении
PОХ 0 при V 0
(6.8.48)
б) при принудительном охлаждении
PОХ 2кВт при V 0
(6.8.49)

37.

m=12
m=12
β1 {
m=6
m=12
β2 {
m=6
m=6
}α=0
m=12
m=6
Рисунок 6.8.11 – Коэффициент полезного действия 6 и 12
пульсовых управляемых выпрямителей и инверторов.
}α>0