Курсовая работа (т): Трифазні кола. Основні поняття і визначення

Рис. 2.6. Векторні діаграми струмів при з’єднанні приймачів трикутником

2.3 Переключення навантаження із зірки на трикутник

Одержимо основні співвідношення між струмами, а також між потужностями, при переключенні схеми з'єднання фаз навантаження зіркою на схему трикутника.

При з'єднанні фаз навантаження зіркою лінійний (фазний) струм дорівнює:

Знаходимо потужності при з'єднанні фаз навантаження зіркою:

PY = UлIл cos φ = Uл  cos φ =  cos φ ;

QY = sin φ ;

SY = .

При з'єднанні фаз навантаження трикутником лінійний струм більше фазного в  раз:

.

Знаходимо потужності при з'єднанні фаз навантаження трикутником:
Δ = UлIл cos φ = Uл  cos φ = 3 cos φ ;

QΔ = 3sin φ ;

SΔ = 3.

Співвідношення між струмами дорівнює:

.

Знайдемо співвідношення між потужностями:

.

Аналогічно:

 ;  .

Таким чином, при переключенні фаз навантаження зі схеми з'єднання зіркою на схему трикутника лінійні струми і потужності, які споживає навантаження, збільшуються в три рази.

Трифазний струм має ряд переваг в порівнянні з постійним струмом і однофазним змінним струмом і тому широко використовуються в промисловості і народному господарстві. Всі промислові електростанції виробляють електричну енергії змінного трифазного струму. Переважна кількість електродвигунів споживають трифазний змінний струм.

Більшість побутових приладів розраховані на роботу із однією фазою. Водночас потужні трифазні електродвигуни конструктивно простіші за однофазні, оскільки не потребують системи зсуву фаз.

Трифазна система (трифазний струм) має наступні переваги перд однофазною:

–       Одержання обертового магнітного поля за нерухомих обмоток;

–       Економічна передача енергії на відстані;

–       Можливість використання однієї фази як однофазного струму;

–       Забезпечує високу якість при випрямленні за різноманітних напруг і потужностей.

Таким чином, застосування трифазного струму замість однофазного дозволяє скоротити число проводів і витрати кольорового металу для їх виготовлення. Крім того, трифазний струм дає можливість отримати обертове магнітне поле в двигунах, на основі якого створені прості за конструкцією асинхронні електродвигуни.

Трифазний струм широко використовується в системах промислового і побутового електропостачання. Свого розвитку трифазний струм набув завдяки тому, що дозволяє легко створювати обертове магнітне поле, необхідне для електродвигунів змінного струму. Зараз трифазний струм є основним стандартом підключення побутових споживачів та непотужних промислових споживачів.

Розділ 3. Трифазні випрямлячі

трифазний струм навантаження випрямляч

Схеми випрямлячів трифазного струму застосовують в основному для живлення споживачів середньої і великої потужності. Первинна обмотка трансформатора таких випрямлячів складається з трьох фаз, які з'єднані або зіркою, або трикутником. Вторинні обмотки трансформатора (їх може бути декілька) також є трифазними.

За допомогою спеціальних схем з'єднання вторинних обмоток і усього випрямляча можна одержати випрямлену напругу, у якої число пульсацій за період  кратно трьом. При збільшенні числа пульсацій коефіцієнт пульсацій  зменшується, тому габаритні розміри і маса згладжувальних електричних фільтрів також зменшується, або взагалі відпадає потреба в них.

Випрямлячі трифазного струму рівномірно навантажують мережу трифазного струму і характеризуються високим коефіцієнтом використання трансформатора.

Трифазний випрямляч з нульовим виводом.

Складовою частиною складних схем випрямлячів трифазного струму є проста трифазна схема з нульовим виводом, яка запропонована Міткевичем. У схемі первинна і вторинна обмотки трансформатора з'єднані зіркою. Еквівалентну схему такого випрямляча зображено на рис.3.1.

Рис.3.1. Трифазний випрямляч з нульовим виводом: еквівалентна схема

Трифазний мостовий випрямляч (схема Ларіонова).

Активне навантаження

У трифазному мостовому випрямлячі, еквівалентна схема якого наведена на рис.3.2, а послідовно з'єднані два трифазних випрямляючих блоки - анодний, з вентилями VS4, VS6, VS2 і катодний з вентилями VS1, VSЗ, VS5. Кожен з цих блоків повторює роботу трифазної схеми з нульовим виводом.

Некерований режим роботи . У схемі одночасно пропускають струм два вентилі: один з найбільш високим потенціалом анода відносно нульової точки вторинної обмотки трансформатора з катодної групи вентилів, а іншій - з найбільш низьким потенціалом катода з анодної групи вентилів. Так, наприклад, згідно часовим діаграмам струмів і напруг, наведеним на рис.1.34, б, на інтервалі , тривалістю , струм пропускають вентилі VS1 і VS6, на інтервалі  вентилі VS1 і VS2, на інтервалі  вентилі VSЗ і VS2 і т.д. Випрямлена напруга на інтервалі  визначається різницею фазних ЕРС  і , на інтервалі  - різницею ЕРС і  і т.д.

Таким чином, випрямлена напруга  має шестикратні пульсації за період, тобто . Максимальне значення випрямленої напруги дорівнює амплітуді лінійної напруги, тобто  , хоч тривалість роботи кожного вентиля така ж сама, як і у трифазній схемі з нульовим виводом, тобто .

У мостовому випрямлячі немає вимушеного підмагнічування осердя трансформатора, оскільки струм у вторинній обмотці такої ж самої форми протікає двічі за період у протилежних напрямках. В результаті форма струму первинної обмотки  повторює форму струму вторинної обмотки  , оскільки .

Для покращення форми кривої струму первинної обмотки доцільно фази з'єднувати трикутником. При цьому лінійний струм  (рис.3.2, б), який дорівнює різниці фазних струмів , має безперервний характер, внаслідок чого відносний вміст вищих гармонік зменшується.

Керований режим. , характеризується двома діапазонами зміни кута керування:

) режим безперервного струму у колі навантаження,

2)  режим переривчастого струму у колі навантаження.

При переході до режиму переривчастого струму, тобто при , не можна використовувати короткі імпульси керування тиристорами, оскільки при включенні кожного наступного тиристора інший тиристор, який повинен працювати з ним у парі, буде уже виключений. Тільки у цьому разі можна забезпечити переривчастий характер струму у кожному вентилі на інтервалі .

Трифазний мостовий випрямляч, у порівнянні з розглянутими раніше, має такі переваги:

- відсутні потоки вимушеного підмагнічування осердя трансформатора;

- менша у порівнянні із схемою Міткевича величина  на вентилі при тому ж самому значенні ;

- хороший коефіцієнт використання трансформатора ;

- малий коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги.

Рис.3.2. Трифазний мостовий випрямляч: а) схема; б) часові діаграми для некерованого режиму ; в) часові діаграми для керованого режиму

Зовнішня характеристика трифазного мостового випрямляча

Для керованих випрямлячів найчастіше будують сімейство зовнішніх характеристик , оскільки графік характеристики залежить від кута керування .

Визначимо ці характеристики за таких умов  . Треба враховувати, що графік зовнішньої характеристики залежить від тривалості протікання струму через кожен з вентилів . Величина  у свою чергу залежить від кількості вентилів, які одночасно пропускають струм.

Перший режим. Якщо струм у навантаженні близький до номінального, у схемі випрямляча одночасно пропускають струм два або три вентилі. При цьому кут комутації  і . При збільшенні струму зростає кут комутації вентилів . При цьому інтервал одночасної роботи трьох вентилів збільшується, а інтервал одночасної роботи двох вентилів скорочується. Потім наступає другий режим одночасної роботи трьох вентилів, для якого .

Подальше збільшення струму навантаження призводить до виникнення третього режиму, коли одночасно пропускають струм або три вентилі, або чотири. При цьому . Із збільшенням струму навантаження інтервал одночасної роботи чотирьох вентилів розширюється і при короткому замиканні навантаження у випрямлячі у будь-який момент часу одночасно пропускають струм чотири вентилі ().

Розглянемо усі три режими окремо. Для кожного з цих режимів розрахуємо зовнішню характеристику , а потім побудуємо загальну зовнішню характеристику випрямляча.

 На рис.3.3, а, б наведено еквівалентну схему і часові діаграми для цього режиму. На інтервалі одночасної роботи двох вентилів, наприклад VS1 і VS2, миттєве значення випрямленої напруги дорівнює , а струми у вентилях незмінні і дорівнюють .

Для визначення закону зміни струмів у вентилях і випрямленої напруги на інтервалі одночасної роботи трьох вентилів, наприклад VS1, VS2, VS3, треба розглянути еквівалентну схему для цього інтервалу (рис.3.3, в). На протязі цього інтервалу відбувається комутація струму з вентиля VS1 на вентиль VS3, а тривалість цього режиму дорівнює .

Рис.3.3. Режими роботи трифазного мостового випрямляча:

а) схема випрямляча; б) часові діаграми роботи при ; в), г) еквівалентні схеми випрямляча для комутаційного інтервалу

Миттєві значення ЕРС, відповідно до часової діаграми, яка наведена на рис.3.3, б:

. Такий режим має місце тоді, коли у випрямлячі в будь-який момент часу, струм пропускають одночасно три вентилі. При цьому безперервно, одна за одною відбуваються комутації струму у вентилях (рис.3.4, а).

При збільшенні струму навантаження, якщо зберігається умова , інтервал комутації залишається незмінним і дорівнює . При цьому момент , що відповідає початку комутації для вентилів VS1 і VS3, буде зміщуватися вправо, а кут керування  буде автоматично збільшуватися, поки не досягне значення .

Це можна пояснити таким чином. Із збільшенням струму навантаження  інтервал комутації повинен збільшитися. При цьому зростає різниця ЕРС у контурі комутації, наприклад, для вентилів VS1 і VS3 різниця ЕРС . Наслідком цього є прискорення комутації і схема прийде до нового стану рівноваги, але уже з більшим кутом . Внаслідок цього, при зростанні навантаження, поки не створяться умови для одночасної роботи чотирьох вентилів, момент  автоматично зміщується вправо. При цьому, система керування фактично не впливає на процеси у випрямлячі.

Якщо одночасно працюють вентилі VS1, VS2, VS3, умови для включення вентиля VS4 створюються у точці А (рис.3.4, а). До точки А вентиль VS4 не може вступити в роботу, оскільки у нього на аноді потенціал менший, ніж на катоді.

Потенціал аноду VS4 визначається негативним потенціалом навантаження, який дорівнює потенціалу катода відкритого вентиля VS2, тобто ЕРС .

Рис.3.4. Режими роботи трифазного мостового випрямляча:

а) часові діаграми роботи при куті комутації ; б) еквівалентна схема випрямляча при куті комутації ; в) часові діаграми роботи при куті комутації ; г) сімейство зовнішніх характеристик випрямляча