Глава четвертая
ДИАГРАММЫ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Режимы работы преобразователей изучаются с помощью диаграмм, т. е. кривых мгновенного значения выпрямленного напряжения, токов в вентилях, обратного напряжения на вентилях и т. п., построенных на основе закономерностей коммутации вентилей. Диаграммы наглядно показывают физическую сущность процессов в выпрямителях. Сравнивая осциллограммы реальных процессов с диаграммами, можно убедиться в правильности или ошибочности представлений о процессах в вентилях.
Рис. 32. Кривые напряжений и токов неуправляемого выпрямителя при мгновенной коммутации.
а — диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с. мостовой схемы выпрямления; б — токи в вентилях мостовой схемы при работе на индуктивную нагрузку; в — то же при работе на активную нагрузку; г —диаграмма работы вентилей и кривые фазных э. д. с. схемы выпрямления с нулевым выводом и уравнительным реактором; д — токи вентилей схемы с нулевым выводом и уравнительным реактором при работе на индуктивную нагрузку; е — то же при работе на активную нагрузку; ж — кривая выпрямленного напряжения в мостовой схеме; з — кривая выпрямленного напряжения схемы с нулевым выводом и уравнительным реактором.
Эксплуатационному персоналу часто более важно иметь представление о физической сущности работы вентилей, чем углубляться в их математическое описание. Анализ формы кривой выпрямленного напряжения, например, позволяет быстро дать заключение не только о состоянии выпрямителя, но и о виде неисправности, если таковая возникла. В настоящей главе подробно рассматриваются диаграммы нормальных, аварийных и глубоких режимов выпрямителей вентильных систем возбуждения, кратко формулируются основные определения и закономерности в работе вентилей [Л. 11].
В мостовой схеме выпрямления (см. рис. 1) в катодной группе (вентили 1, 3, 5) ток проводит вентиль, анод которого более положителен. В анодной группе (вентили 2, 4, 6) ток проводит вентиль, катод которого более отрицателен. Вентили в схеме с нулевым выводом работают по правилу катодной группы.
В мостовой схеме угол естественного отпирания для вентилей 1, 3, 5 определяется пересечением положительных значений кривых фазных напряжений (рис. 32), а для вентилей 2, 4, 6— пересечением отрицательных значений кривых фазных напряжений. В этот момент вступает в работу очередной неуправляемый вентиль (или управляемый при его полном открытии).
В схеме выпрямления с нулевым выводом (см. рис. 3) угол естественного отпирания определяется пересечением положительных значений кривых фазных напряжений прямой (для вентилей 1, 3, 5) и обратной (для вентилей 2, 4, 6) звезд. Угол регулирования а отсчитывается от угла естественного зажигания до момента подачи отпирающего импульса.
Работа выпрямителя зависит от наличия индуктивности в цепи нагрузки и в питающей цепи (предвключенная индуктивность). Индуктивность в цепи нагрузки сглаживает пульсации выпрямленного тока. При отсутствии ее выпрямленный ток повторяет форму выпрямленного напряжения (рис. 32), а при бесконечно большой индуктивности пульсации выпрямленного тока отсутствуют. Практически с пульсациями можно не считаться, если отношение индуктивного сопротивления нагрузки к активному более пяти, что и характерно для ротора генератора. Предвключенная индуктивность определяет длительность перехода тока с одного вентиля на другой, т. е. длительность коммутации. При отсутствии этой индуктивности ток в вентиле изменяется мгновенно (мгновенная коммутация — рис. 32). Длительность коммутации характеризуется углом коммутации у.
Одновременная коммутация двух вентилей, подключенных к разным фазам источника питания, есть двухфазное к. з.
В контуре коммутации протекает ток к. з., направленный встречно по отношению к току вентиля, кончающего работу.
При коммутации вентилей, например 1 и 3, напряжение на их анодах определяется по формуле:
где еа и ха, еb н хb — соответственно э. д. с. и сопротивление коммутации фаз а и b.
При равенстве сопротивлений коммутации, т. е. когда коммутируют вентили одной группы между собой, получаем
При коммутации между вентилями разных фаз рабочей и форсировочной групп, принимая еа=еф, еb =ер и ха= kxb, имеем:
т. е. напряжение полюса («плюса» или «минуса» на нагрузке) зависит от соотношения сопротивлений коммутации форсировочной и рабочей групп. В контуре коммутации проходит ток к. з., направленный навстречу току вентиля, кончающего работу, и согласно по отношению к току вентиля, вступающего в работу. Нарастание тока в вентиле, вступающем в работу, происходит по отрезку косинусоиды, который в большинстве случаев без большой ошибки может заменяться прямой. Следовательно, форма тока в вентиле имеет вид трапеции (см. рис. 35,в). Угол коммутации определяет также количество одновременно работающих вентилей. По числу одновременно работающих вентилей различают три режима:
режим I, или режим 2—3, когда одновременно работают два или три вентиля, а угол коммутации γ<60°;
режим II, или режим 3—3, когда постоянно работают три вентиля, γ=60° и появляется угол задержки коммутации ат=0-:-30° (см. § 15);
режим III, или режим 3—4, когда одновременно работают 3 или 4 вентиля, и γ>60°, ат=30°.
В схеме с нулевым выводом и уравнительным реактором (см. рис. 3) на работу вентилей существенное- влияние оказывает уравнительный реактор. Оно состоит в том, что при протекании выпрямленного тока по ветвям реактора в них наводятся дополнительные э. д. с., которые выравнивают напряжения двух смежных фаз: прямой и обратной звезды. Это приводит к тому, что выпрямленный ток распределяется поровну между обеими обмотками (соединенными в звезды) источника питания. Однако для того чтобы реактор начал выполнять свою роль, необходимо, чтобы выпрямленный тек превысил некоторое критическое значение (0,5—1% номинального). До этого значения тока схема работает как шестифазная нулевая.
В мостовой схеме выпрямления переключение нечетных вентилей происходит в точках а, b, с (рис. 32,а), а четных вентилей — в точках a1, b1, c1. Мгновенное значение выпрямленного напряжения равно отрезку ординаты (рис. 32,а), заключенному между синусоидами соответствующих фаз, например отрезку тп для момента времени t. Форма токов в вентилях повторяет форму напряжения при активной нагрузке и не имеет пульсации при индуктивной нагрузке. Ток в вентиле равен: выпрямленному току.
В схеме с нулевым выводом и уравнительным реактором коммутация вентилей не происходит в точке а (рис. 32,г), где равны напряжения двух смежных фаз, что имело бы место в шестифазной схеме с нулевым выводом. Коммутация происходит в точке b, где становятся равными напряжения фаз А и В прямой звезды. Аналогично происходит коммутация вентилей в точке с, где становятся равными напряжения фаз С' и А' обратной звезды. Уравнительный реактор, выравнивая напряжения смежных фаз, обеспечивает мгновенное значение выпрямленного напряжения, равное полусумме мгновенных значений двух смежных фаз. Пульсации в кривой выпрямленного напряжения уменьшаются. Форма токов в вентилях также повторяет форму выпрямленного напряжения при активной нагрузке, и ток не имеет пульсаций при индуктивной нагрузке. Ток в вентиле равен половине выпрямленного тока. Из рассмотренных выше диаграмм напряжений и токов можно сделать следующие выводы.
Мостовую схему выпрямления условно можно рассматривать как две соединенные последовательно трехфазные схемы с нулевым выводом, фазные напряжения которых сдвинуты на 60°.
Схему с нулевым выводом и уравнительным реактором можно представить как две трехфазные схемы с нулевым выводом, соединенные параллельно. Отсюда следует правило построения диаграмм. Строится сначала диаграмма для одной трехфазной схемы с нулевым выводом. Затем эта диаграмма смещается на 60°. Далее для построения выпрямленного напряжения берется сумма или полусумма ординат двух этих диаграмм. Аналогично поступают и при построении диаграмм токов. Указанный метод широко использован в данной книге для построения диаграмм управляемых вентилей, собранных по схеме с нулевым выводом и уравнительным реактором, так как он позволяет существенно ускорить их построение.
