Шестифазная звезда и двойной зигзаг

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Системы выпрямления.
  2. Схемы выпрямления.
  3. Схема соединений трансформатора и поток вынужденного намагничивания.
  4. Шестифазное выпрямление при соединении вторичных обмоток трансформатора в двойной зигзаг.
  5. Шестифазное выпрямление в схеме с уравнительным реактором.

Несмотря на широчайшее распространение трехфазного тока, в ряде важных областей техники нельзя обойтись без постоянного тока. Это относится, например, к электролизным установкам металлургических заводов и электрической тяге.

Сравнительно недавно постоянный ток получали от двигателей-генераторов. Современным способом получения постоянного тока является непосредственное выпрямление переменного тока с помощью полупроводниковых (селеновых, германиевых, кремниевых) выпрямителей.

Переход от двигателей-генераторов к непосредственному выпрямлению кроме конструктивных различий (вращающиеся машины заменены неподвижными аппаратами) имеет важную особенность. Она состоит в том, что у двигателя-генератора цепи переменного и постоянного тока электрически изолированы; при непосредственном выпрямлении они связаны, так как вентили, образующие выпрямитель, и вторичные обмотки трансформатора непосредственно соединены. Совершенно ясно, что выпрямленный ток не может быть синусоидальным; он содержит не только переменную, но и постоянную составляющие (смотрите статью "Понятие о магнитном равновесии трансформатора"), что при некоторых схемах выпрямления очень неблагоприятно влияет на работу трансформатора.

С этим сложным вопросом читатели могут ознакомиться в книге Каганова И. Л. "Промышленная электроника", 1968 год. Здесь же в самых общих чертах отмечаются основные положения, необходимые для пояснения видов соединения трансформаторов, питающих выпрямители.

Системы выпрямления

Выпрямители, преобразующие трехфазный ток в постоянный, являются выпрямителями трехфазного тока независимо от числа фаз вторичной обмотки. Первичная обмотка трансформатора, питающая выпрямитель трехфазного тока, соединяется в звезду, треугольник или зигзаг и получает питание от сети трехфазного тока. Вторичная обмотка может быть трехфазной, шестифазной, двенадцатифазной, что определяет систему выпрямления; трехфазную, шестифазную, двенадцатифазную и так далее.

Системы выпрямления

Рисунок 1. Общие свойства систем и схем выпрямления. Кривые выпрямленного напряжения (а); выпрямление однофазного тока по мостовой схеме (б) и по схеме с нулевым выводом (д); выпрямление трехфазного тока по мостовой схеме (г) и по схеме с нулевым выводом (в).

На рисунке 1, а сверху вниз изображены кривые выпрямленного напряжения при трехфазном (U3), шестифазном (U6) и двенадцатифазном (U12) выпрямлении. Этот рисунок показывает только характер явлений (а не количественные соотношения), иллюстрируя следующее:
а) наименьшие пульсации (волнистость) получаются при двенадцатифазном выпрямлении, что хорошо;
б) продолжительность анодного тока каждой фазы самая высокая при трехфазном выпрямлении (t3 > t6 > t12); с этой позиции лучше трехфазное выпрямление;
в) средние значения выпрямленного напряжения при разных системах выпрямления неодинаковы (U12 > U6 > U3).

Схемы выпрямления

Любая система выпрямления может быть осуществлена по нескольким схемам, среди которых наиболее распространены мостовая (рисунки 1, б и г) и схема с нулевым выводом (рисунки 1, в и д) – ее часто называют нулевой схемой. Сравнивая рисунки 1, б и д, а также рисунки 1, в и г, легко видеть, что количество вентилей в мостовых и нулевых схемах неодинаково, но это не то различие, которое нас в данном случае интересует. Интересующее нас принципиальное различие между мостовыми и нулевыми схемами состоит в том, что у первых по первичным и по вторичным обмоткам трансформатора проходит чисто переменный ток, что хорошо 1. В схемах с нулевым выводом по вторичным обмоткам трансформатора проходят однонаправленные токи, создающие однонаправленный поток вынужденного намагничивания. Это плохо, так как поток вынужденного намагничивания сильно повышает индукцию в магнитопроводе трансформатора, вплоть до его насыщения, что увеличивает намагничивающий ток, нарушает магнитное равновесие в трансформаторе, вызывает высшие гармоники (смотрите статью "Понятие о магнитном равновесии трансформатора").

Схема соединений трансформатора и поток вынужденного намагничивания

Характер и величина потока вынужденного намагничивания определяются схемой соединения обмоток трансформатора и для трехфазных схем состоят в следующем:
а) при соединении первичной обмотки в треугольник, а вторичной в звезду в сердечнике трансформатора возникает неизменный по времени однонаправленный поток вынужденного намагничивания;
б) при соединении первичной и вторичной обмоток в звезду поток вынужденного намагничивания однонаправлен, но пульсирует, если создающий его ток меняется во времени;
в) если вторичная или первичная обмотка соединена в зигзаг, то поток вынужденного намагничивания отсутствует (смотрите пояснения к рисункам 1 и 2, в статье "Схема соединения "Зигзаг").

При соединении первичной обмотки в звезду, а вторичной в шестифазную звезду поток вынужденного намагничивания каждую шестую часть периода меняет направление. Он проходит по всем стержням вверх (а по воздуху вниз, так как однонаправленные потоки не могут замкнуться в ярме), а через 1/6 периода меняет направление, проходя по всем стержням вниз, а по воздуху вверх. Поток вынужденного намагничивания имеет тройную частоту по сравнению с частотой питающей сети и называется однофазным потоком вынужденного намагничивания.

Шестифазное выпрямление при соединении вторичных обмоток трансформатора в двойной зигзаг

основано на том, что при соединении в зигзаг поток вынужденного намагничивания не возникает 2. На каждом стержне трансформатора расположены: первичная обмотка A (B, C) и три секции вторичных обмоток x, a, d (y, b, e; z, c, f), которые принадлежат разным фазам. Обмотки x, y, z образуют внутреннюю звезду, нейтраль которой является отрицательным полюсом выпрямителя. К свободным концам внутренней звезды присоединены обмотки a, b, c, d, e, f, внешние концы которых питают вентили 16. Общая точка, в которую соединены вентили, служит положительным полюсом выпрямителя.

Шестифазное выпрямление в схеме звезда - двойной зигзаг

Рисунок 2. Шестифазное выпрямление в схеме звезда – двойной зигзаг.

Соединениям на рисунке 2, а соответствует векторная диаграмма (рисунок 2, б) электродвижущих сил (э. д. с.) вторичных обмоток, из которой ясны: последовательность работы вентилей 1, 2, …, 6, значение э. д. с. вторичной обмотки E2 (геометрическая разность э. д. с. секций разных фаз), продолжительность работы каждого вентиля 60°.

Шестифазное выпрямление в схеме с уравнительным реактором

широко распространено благодаря следующим положительным свойствам:
1. Пульсации выпрямленного напряжения соответствуют шестифазному выпрямлению. Это значительно лучше, чем при трехфазном выпрямлении, так как волнистость меньше, рисунок 1, а.
2. Длительность работы каждого вентиля составляет 1/3 периода 3. Это значительно лучше, чем при шестифазном выпрямлении (где вентиль работает 1/6 периода), так как полнее используются вторичные обмотки трансформатора и вентили.
3. Ток, проходящий через каждую вторичную обмотку трансформатора и через каждый вентиль, вдвое меньше, чем в схеме звезда – двойной зигзаг (рисунок 2), так как в схеме с уравнительным реактором (рисунок 3) параллельно работают два вентиля, а в упомянутой схеме вентили работают по одному.
4. Однофазный ток вынужденного намагничивания отсутствует благодаря тому, что выпрямленный ток проходит через две фазы вторичных обмоток, входящих в разные группы 4.

Схема соединений трансформатора и вентилей показана на рисунке 3, а. Первичные обмотки, не показанные на рисунке 3, а, соединены в звезду (треугольник). Шесть вторичных обмоток – по две на каждом стержне – образуют две группы. У одной из них в нейтраль 01 соединяются концы, а начала a, b и c выводятся для присоединения вентилей 1, 3 и 5. У другой – в нейтраль 02 соединены начала, а к концам x, y и z присоединяются вентили 2, 4 и 6. Между нулевыми точками 01 и 02 звезд включен уравнительный реактор УР, средняя точка которого является отрицательным полюсом выпрямителя. Секции уравнительного реактора соединены встречно и размещены на двухстержневом магнитопроводе. Положительным полюсом выпрямителя служит общая точка, к которой присоединены вентили 1, 3 и 5 (нечетная группа), 2, 4 и 6 (четная группа).

Шестифазное выпрямление в схеме с уравнительным реактором

Рисунок 3. Шестифазное выпрямление в схеме с уравнительным реактором.

На рисунке 3, б сплошными линиями показаны фазные напряжения u2a, u2b и u2c вторичных обмоток нечетной звезды; штриховые линии изображают фазные напряжения u2x, u2y и u2z четной звезды. Кривая выпрямленного напряжения выделена жирной линией. Она состоит из участков (верхушек) синусоид с шестикратным периодом повторяемости и соответствует режиму работы, который иллюстрирует рисунок 3, г. Из него видно, что в начале рассмотрения процесса параллельно работают вентили 5 и 6. Затем в течение времени t1 параллельно работают вентили 6 и 1. Во время t2 вентиль 1 продолжает работу, но вместо вентиля 6 включается вентиль 2. Далее работают вентили 2 и 3 (время t3), а затем 3 и 4 (t4) и, наконец, 4 и 5 (t5). После этого все повторяется в том же порядке. Словом, в любой момент параллельно работают два вентиля, а для этого необходимо не только присоединить их соответствующим образом, но и выровнять мгновенные значения напряжений в цепях параллельно работающих вентилей. Именно для этого служит, уравнительный реактор. Рассмотрим его работу.

Допустим, параллельно работают вентили 6 и 1. Разница мгновенных значений фазных напряжений u2y и u2a определяется вертикальными линиями (ординатами) uK (рисунок 3, б) и наводится в двух последовательно соединенных секциях уравнительного реактора УР.

Секции уравнительного реактора одинаковы. Поэтому напряжения uк1 = uк2 = ½ uк по величине равны, но по отношению к его среднему выводу они имеют разные знаки. Следовательно, uк2 (в нашем примере) прибавляется к фазному напряжению u2a (вентиль 1), но вычитается из фазного напряжения u2y (вентиль 6). В результате напряжения выравниваются (отсюда и название – уравнительный реактор), что обеспечивает параллельную работу двух вентилей. Характер изменения напряжения на уравнительном реакторе показан на рисунке 3, в. Сравнивая его с рисунком 3, б, легко видеть, что частота в уравнительном реакторе в 3 раза больше частоты питающей сети (сравним продолжительность периодов T/3 и T).

Для работы уравнительного реактора нужно, чтобы его магнитопровод был намагничен, а для этого достаточно, чтобы ток, проходящий через одну из его секций, достиг примерно 1% тока нагрузки одной из вторичных цепей 5. Если нагрузка меньше 1%, то уравнительный реактор не работает. В этом случае вместо двойного трехфазного режима 6 выпрямитель работает, как обычный шестифазный, а напряжение вместо U2макс повышается на 13 – 15%, достигая значения U2макс. Такое повышение напряжения далеко не всегда допустимо 7, поэтому либо создают балластную нагрузку примерно 1% (но это невыгодно при значительных мощностях), либо искусственно подмагничивают уравнительный реактор током тройной частоты. С этой целью к уравнительному реактору присоединяют вторичную обмотку утроителя частоты, принцип действия которого рассматривается в статье "Разомкнутый треугольник. Открытый треугольник".


1 На рис. 1, б ясно видно, что в течение одного полупериода ток проходит в направлении зеленых стрелок через вентили 1 и 2. В другой полупериод направление тока через вентили 3 и 4 указано красными стрелками. В трехфазной схеме на рис. 1, г в положительный полупериод фазы А ток проходит через вентили 6, 7 и 9 (красные стрелки). В положительный полупериод фазы В направление тока показывают зеленые стрелки. Обратите внимание на противоположное направление зеленых и красных стрелок у вторичных обмоток трансформатора.
2 Ток проходит одновременно по двум секциям вторичных обмоток, расположенным на разных стержнях, чему отвечает симметричное прохождение тока по двум первичным обмоткам, расположенным на тех же стержнях. Благодаря этому м. д. с. на каждом из стержней уравновешены.
3 Приведенные здесь величины (1/3, 1/6 периода и так далее) соответствуют идеализированной картине.
4 Одна группа обмоток соединена в звезду началами, а другая концами. Значит, токи во вторичных обмотках одной фазы имеют противоположные направления.
5 Ток нагрузки всегда проходит через уравнительный реактор, что отчетливо видно из рис. 3, а.
6 Режим называется двойным трехфазным, так как работают две трехфазные группы обмоток, причем каждая вторичная обмотка работает 1/3 периода, то есть столько же, сколько при трехфазном выпрямлении.
7 Ночью сети трамвая и троллейбуса почти не нагружены, но включено освещение вагонов, а для ламп накаливания повышение напряжения резко сокращает срок их службы.

Источник: Каминский Е. А., "Звезда, треугольник, зигзаг" – 4-е издание, переработанное – Москва: Энергия, 1977 – 104с.

1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса -ов)
Комментарии  
0 #1 Виn`r 15.11.2013 18:52
я всё понимаю но как же так????!!!! фазировка то почему задом на перёд!!!???
0 #2 Женя 15.11.2013 19:07
Ох Вы какой глазастый. Не в обиду сказано.
В фотошопе потом исправлю.
Спасибо!