Циклоконверторные трансформаторы

Циклоконвертор - электрическая машина позволяющая умножить частоту переменного тока.

На рис. 2.11приведена схема трансформатора с трехфазнымтиристорнымциклоконвертором, позволяющим увеличить частоту в три раза, т.е. до 150 Гц.

Понижающий трансформатор Т имеет три первичных обмотки и одну вторичную. Первичные обмотки подключены к трехфазной питающей сети через тиристорный регулятор VSI–VS6и соединены друг с другом по схеме треугольника.

Принцип умножения частоты переменного тока рассмотрим с помощью осциллограммы рис. 2.12.

 

	Рис. 2.11. Упрощенная принципиальная схема циклоконверторного трансформатора.
	Рис. 2.12. Циклограммыциклоконверторного трансформатора при разных углах регулирования: а – угол регулирования равен 120º; б - угол регулирования равен 170º; серая линия – ток в первичной обмотке; черная линия – ток во вторичной обмотке.

Допустим, что в моментt₁включаетсятиристорVSI, подключенный кнапряжениюU_ab, и по одной из первичных обмоток идет ток по цепи, показанной на рис. 2.12 светлой линией. В моментt₂включается тиристорVS2, подключенный к линейному напряжениюU_сa, и далее, тиристоры будут включаться в порядке их нумерации. Во вторичной обмотке ЭДС будет наводиться каждым таким импульсом первичного тока, поэтому вторичный ток будет иметь частоту в три раза большую, чем исходная частота питающей сети. По этой же причине площадь сечения магнитопровода трансформатора приблизительно в три раза меньше, чем у трансформатора на 50 Гц. Следовательно, и весь трансформатор в 1, 5…2 раза легче обычного.

Если трансформатор предназначен для РДС покрытыми электродами, то падающая характеристика получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, например, при разнесении обмоток.

Плавное регулирование принципиально можно осуществлять изменением угла регулированияα от 120 до 180°. При угле менее 120° появляются паразитные токив двух одновременно работающих тиристорах.

Сварочные выпрямители

В России в сварочных выпрямителях используют кремниевые силовые вентили: неуправляемые (диоды), не полностью управляемые (тиристоры) и управляемые (транзисторы).

Принцип работы диода рассмотрим на примере однополупериодного выпрямления (рис. 2.11).

В положительном полупериоде синусоидального напряжения питающей сети диодVD оказывается включенным в прямом направлении (рис.2.13, а). Так как при этом его сопротивление мало, прямой ток i_пр сравнительно велик (рис.2.13, б). Практически все напряжение сети (U_Rпр≈ U~) приложено к нагрузке R_н, а падение напряжения на диоде U_пр не превышает 1….2В. В отрицательном полупериоде (рис. 2.13, в) диод включен в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает, а ток i_обр снижается почти до нуля.

Рис. 2.13. Работа диода при прямом (а) и обратном (в) включении в цепи переменного токаи диаграммы изменения тока и напряжения (б).

На нагрузку напряжение почти не подается (U_Rобр ≈ 0), поскольку практически все напряжение сети приложено к разрыву цепи, образованному закрытым диодом (U_обр≈ U~). Таким образом, если пренебречь незначительным обратным током i_обр, то по нагрузке идет прерывистый ток одного направления - выпрямленный ток i_д= i_пр, а его усредненное значение за полный период равно I_пр.

В сварочных выпрямителях используются диоды с предельным током 200, 320, 400, 500 А.

Рассмотрим работу тиристора (рис. 2.14).

Рис. 2.14. ТиристорVS в цепи переменного тока (а) и диаграмма изменения тока и напряжения (б)^ А - анод; К - катод; УЭ - управляющий электрод

Для отпирания тиристора необходимо выполнить два условия. Во-первых, его следует включить в прямом направлении, т.е. потенциал его анода должен быть выше потенциала катода.Вовторых, на его управляющий электрод необходимо подать положительный относительно катода импульс напряжения. Поэтому в положительном полупериоде тиристор отопрется с задержкой на электрический угол α , соответствующий подаче импульса управления. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока I_пр, пропорциональное затемненной площади, для тиристора меньше, чем для диода, оно снижается при увеличении задержки включения:

2.26

Запирание обычного тиристора снятием импульса управления невозможно, он выключается только в конце полупериода при снижении сетевого напряжения до нуля, поэтому тиристор называют не полностью управляемым вентилем. В течение отрицательного полупериода обычный тиристор заперт. Таким образом, тиристор можно использовать не только для выпрямления, но и для регулирования тока.

Силовые транзисторы в сварочных выпрямителях используется по схеме с общим эмиттером(рис.2.15, а).

Рис. 2.15. Принципиальная схема включения (с общим эмиттером) транзистораVT в цепи переменного тока (а) и диаграмма изменения тока и напряжения (б)

Транзистор VT работает в качестве ключа. В положительном полупериоде (пока в режиме отсечки до момента α ₁ на базу не подан ток i_σ ) практически отсутствует прямой токi_пр коллектора, а следовательно, и ток в нагрузке. При подаче достаточно большого тока базы i_σ транзистор в момент α ₁(рис.2.15, б) перейдет сразу в режим насыщения, в котором прямой ток коллектораi_пр резко увеличивается до величины, ограниченной только напряжением питавшей сети ~ U и сопротивлением нагрузкиR_н. При снятии тока базы в момент α ₂ резко снизится и прямой ток. В отрицательном полупериоде ток в нагрузке практически отсутствует. Среднее значение токаI_пр зависит от величинα ₁ и α ₂ и может регулироваться в широких пределах:

2.27

Рассмотрим схемы диодных выпрямителей.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.2.16, а) работает следующим образом.

Рис. 2.16. Однофазный мостовой выпрямитель: а - принципиальная схема; б - осциллограммы первичного (U1) и вторичного (Uв) напряжения на трансформаторе; пунктирная линия - путь тока.

В первом полупериоде (при положительной полярности левой клеммы вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили VD₁ и VD₂ (путь тока показан пунктирной линией), во втором - вентилиVD₃ и VD₄. В результате ток в нагрузке остается постоянным по направлению (рис.2.16, б). Форма кривой выпрямленного напряжения U _в- пульсирующая от 0 до U_m, т.е. малопригодная для сварки.

Шестифазная схема с выведенным нулем показана на рис. 2.17, а.

Рис. 2.17. Шестифазная схема выпрямления с выведенным нулем: а - принципиальная схема; б - осциллограммы тока и напряжения; Т - трансформатор; А, В, С - фазы; А1, В1, С1, - группа первичных обмоток; А2, В2, С2 - группа вторичных обмоток; Rн - нагрузка; VD1...VD6 - вентили; прерывистая линия - путь тока при работе вентиля VD1.

 

Трансформаторимеет две группы вторичных обмоток (А1, B1, C1 и А2, В2, C2), каждая из которых соединена в звезду. Нулевые точки обеих звезд соединены и выведены к нагрузке. В цепи каждой обмотки установлен вентиль. Поскольку катоды всех вентилей соединены и, следовательно, имеют одинаковый потенциал, то в любой момент работает только один вентиль с максимальным положительным потенциалом на аноде.

Смоментаt₁(рис. 2.17, б)работает вентиль VD1, соединенный с обмоткой A1.

На рис.2.17, а путь тока в этом интервале времени показан пунктирной линией. Остальные вентили заперты, так как к их катодам черезVD1подан максимальный положительный потенциал. С моментаt₂  вентиль VD1отключается, а в работу вступает вентильVD2, соединенный с обмоткойС2, и далее - другие вентили по порядку номеров. Выпрямленное напряжение U_в, показанное утолщенной линией на рис. 7.9, в, меняется по огибающей фазных напряжений отдельных обмоток. Его среднее значение U_в можно вычислить на участке от t₁=π /3 до t₂=2π /3, приU_в=U_{α 1}

2.28

где: θ - угловая часть синусоиды, при которой ток проходит через проводящий диод.

Выпрямленное напряжение u_в колеблется вблизи средней величины U_в менее значительно, чем в однофазной мостовой схеме, поэтому и выпрямленный ток меняется незначительно и дуга при сварке более устойчива. Частота колебаний выпрямленного напряжения в шесть раз больше исходной, т.е. равна 300 Гц.

Величина максимального обратного напряжения на неработающем вентиле рассчитывается следующим образом.

Например, в интервале t₁… t₂ сопротивление проводящего вентиляVD1 близко к нулю, поэтому к катоду вентиля VD4 приложен максимальный положительный потенциал обмоткиA1. В то же время к аноду этого вентиля VD4  приложен максимальный отрицательный потенциал обмотки А2. Следовательно, к неработающему вентилю VD4 приложено в обратном направлении напряжение двух обмотокA1 и А2, а его амплитудное значение:

2.29

Из рис.2.15, б следует, что каждый вентиль работает 1/6 часть периода, поэтому средний ток вентиля:

2.30

Небольшая токовая загрузка вентилей дает значительные выгоды. Недостатком схемы является то, что расчетная мощность трансформатора в шестифазной схемепочти в полтора раза выше потребляемой мощности. Для устранения вынужденного намагничивания железа трансформатора его первичные обмотки можно соединять только треугольником.

Наибольшеераспространениеполучила трехфазная мостовая схема (рис. 2.18, а).

Рис. 2.18. Трехфазная мостовая схема: а - принципиальная схема; б - вторичные, фазные напряжения линейные и выпрямленные напряжения; в - выпрямленный ток; Т - трансформатор; А, В, С - фазы; VD1...VD6 - вентили; прерывистая линия - путь тока при открытом вентиле VD6.

ВентилиVD1, VD3 и VD5, у которых соединены катоды, образуют катодную, а вентили VD2, VD4 и VD6 – анодную группы. Так как катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, то здесь в любой момент будет работать вентиль с максимальным положительным потенциалом анода, в момент t₀  - это вентиль VD6 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с максимальным отрицательным потенциалом катода, в момент t₀ - это вентиль VD6 в фазе В (рис. 2.18, б). Путь тока в этот момент показан на рис. 2.18, а пунктиром. Все остальные вентили заперты, на анодах потенциал ниже, чем на катодах. С моментаt₁ в катодной группе вместо вентиля VD5 начинает работать вентильVD1, а с момента t₂ в анодной группе вместо VD6 - вентиль VD2 и т.д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам.

Потенциал общих катодов схемы изменяется по верхней огибающей кривых фазных напряжений (u_2с, u_2а…), а потенциал обоих анодов-по нижней огибающей(u_2в, u_2с…). Выпрямленное напряжение u_вв интервале t₀…t₁ представляет собой разность напряжений фазС и В: u_в= u_св(заштрихованный участок на рис. 2.18, б), а с момента t₁ - разность напряжений фазАиВ: u_в= u_ав

2.31

Следовательно, выпрямленное напряжение u_в меняется по огибающей линейных напряжений u_cв, u_ав (показано толстой линией) и колеблется вблизи средней величины U_в незначительно, что способствует устойчивому горению дуги.

Каждыйвентиль работает 1/3 периода, поэтому средний ток вентиля:

2.32

Средний ток выше, чем в шестифазных схемах, но ниже, чем в однофазной мостовой.

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться: