Внешние характеристики трехфазных выпрямителей

В отличие от однофазных в многофазных выпрямителях может возни­кать, в зависимости от величины нагрузки, ряд отличных друг от друга режимов. Гра­ницу этих режимом определяет угол комму­тации (рис. 6.4).


Рис. 6.4

Рассмотрим сначала внешнюю ха­рактеристику неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя (α =  0), обобщив затем выводы для управляемого выпрями­теля. Для упрощения анализа пренебрегаем падениями напряжения на активных сопро­тивлениях и тиристорах. При токах на­грузки Id, близких к номинальному значе­нию, γ < π/3, длительность проводимостей тиристоров λ < π, и выпрямитель (см. рис.6.3, а) характеризуются первым режимом ра­боты. В этом режиме во внекоммутаци­онный период работают два тиристора, на­при­мер VS1 и VS2, а в интервале коммута­ции – три тиристора: VS1, VS2, VS3, в связи с тем, что происходит коммутация тока с тиристора VS1 на VS3 (см. рис. 6.3, а, б, интервал θ2 θ1).

Внешняя характеристика для первого режима схемы рассчитывается по формуле (6.10) при α = 0. Разделив полученное выражение на Ud02, найдем уравнение внешней харак­теристики в  относительных единицах:

.

С ростом тока нагрузки (Id  > Idн) величина угла γ  увеличивается  (согласно формуле (6.7) при α = 0), что приводит к расширению интервала одновременной работы тиристоров. При дости­жении углом γ значения γ = π/3 наступает второй режим работы выпрямителя. Во вто­ром режиме в схеме проводят всегда три тиристора, причем

длительность проводящего состояния тиристора равна λ = π. При дальнейшем увеличении тока нагрузки во втором режиме угол коммутации остается постоянным, равным γ = π/3. Причем начало про­цесса коммутации будет задерживаться на некоторое время, характеризуемое появле­нием некоторого дополнительного угла регулирования α’.

Уравнение внешней характеристики выпрямителя во втором режиме имеет вид:

.                                             (6.13)

Из уравнения (6.13) видно, что внешняя характеристика во втором режиме представляет собой дугу эллипса, полуоси которого по координатам Ud и Id равны:

.

Очевидно, конец внешней характеристики в первом режиме должен стыковаться с началом внешней характеристики во втором режиме. Граничные значения тока (Id1-2) и напряжения (Ud1-2), при которых происходит эта стыковка, находятся из выражений:

.

Второй режим работы выпрямителя заканчивается при токе нагрузки I2-3, когда γ = π/2  – α’  и фактический угол регулирования равен: α’ = 30°.

При дальнейшем увеличении тока нагрузки угол α’ будет оставаться постоян­ным и равным π/6, а угол коммутации начнет увеличиваться. При этом наступает тре­тий режим работы выпрямителя (см. рис. 6.4, γ > π/3, λ > π). Напряжение Ud2-3 и ток Id2-3, при которых происходит сопряжение второго и третьего режимов, находятся из соот­ношений:

.

При γ > 60° наступает момент двойного перекрытия тиристоров, когда оказываются от­крытыми сразу четыре тиристора выпрямителя. Уравнение внешней характеристики выпрямителя в данном режиме записыва­ется следующим образом:

.                          (6.14)

С возрастанием тока нагрузки интервал одновременной работы четырех тири­сторов расширяется. При коротком замыкании цепи якоря или обмотки возбуждения в схеме выпрямителя в любой момент времени одновременно пропускают ток четыре ти­ристора. При этом γ = 2π/3 и λ = 4π/3. Величина тока короткого замыкания находится из уравнения (6.14) при подстановке  ­= 0:

.

Вне
шняя характеристика мостового трехфазного выпрямителя в относительных единицах (α = 0) полностью построена на рис. 6.4.

В случае управляемого выпрямителя его внешняя характеристика в первом ре­жиме работы рассчитывается по формуле (6.10). Точное уравнение внешней характери­стики для данного режима имеет вид (6.11), где составляющие ΔUR и ΔUB1 для мостовой схемы рассчитываются по выражениям:

.

Второй режим наступает при условии:

α + α’ + γ = π/2.

Процессы, происходящие в управляемом выпрямителе при работе во втором режиме, такие же, как в неуправляе­мом. Ток нагрузки, при котором начинается второй режим, находится из выражения (6.7) при подстановке в него γ = π/3:

.                                         (6.15)

Из соотношения (6.15) видно, что переход из первого во второй режим в управляемом выпрямителе происходит при больших токах нагрузки, чем в неуправляемом.

Внешняя характеристика управляемого выпрямителя во втором режиме рассчи­тывается по уравнению эллипса (6.13) как для неуправляемого выпрямителя. Внешняя характеристика в третьем режиме описывается выражением (6.14). Изложенные про­цессы и внешняя характеристика справедливы для управляемого выпрямителя при уг­лах регулирования α < π/6.

В выпрямителях, работающих с углами   управления α > π/6, режим постоянной работы трех тиристоров (второй режим) отсутствует, и после первого режима сразу на­ступает третий режим работы выпрямителя. Это объясняется тем, что при достижении γ = π/3 (границы первого режима) суммарный угол управления тиристором равен:

+ γ = α + α’ + γ > π/2,

что характеризует третий режим работы.

Значение тока Id1-3, при котором происходит переход выпрями­теля из первого режима в третий, находится в точках пересечения а, в (см. рис. 6.4) внеш­них характеристик выпрямителя в первом режиме с дугой эллипса. Внешняя ха­ракте­ристика в третьем режиме находится по выражению:

.                                         (6.16)

Положив в уравнении (6.16)  = 0, получим значение тока короткого замыкания (I’dk) управляемого выпрямителя, работающего с углами α > π/6:

.                                 (6.17)

Из выражения (6,17) видно, что ток короткого замыкания (I’dk) меньше, чем в случае работы управ­ляемого выпрямителя при углах регулирования α > π/6. В управляемых выпрямителях при углах α > π/6 отсутствуют второй и третий режимы. Первый режим продолжается вплоть до короткого   замыкания (рис. 6.4).

Таким образом, при работе управляемого выпрямителя в диапазоне углов 0 < α < π/6 возможно существование всех трех режимов работы, при π/6 < α < π/3 возможны первый и третий режимы, а при α > π/З возможен только первый режим работы выпря­мителя.