Трёхфазные схемы выпрямителей

 

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 1.

Рис. 8 Трёхфазный однополупериодный выпрямитель.

 

Схема.

Схема состоит из трёхфазного трансформатора TV1, трёх выпрямительных диодов VD1, VD2, VD3, нагрузочного резистора R_н. Вторичные обмотки трансформатора включены звездой с нулевым проводом.

 

Работа выпрямителя.

В принципе в этой схеме собраны три однополупериодных выпрямителя. Разница только в том, что каждый выпрямитель включается только на одну треть периода. Так например, при увеличении напряжения в фазе a (положительная полуволна) открывается диод VD1 и через нагрузку R_н протекает ток i₁. Когда напряжение на фазе a будет падать, а на фазе b возрастать (положительный полупериод), то откроется ещё диод VD2. Таким образом, на короткий момент времени будут открыты два диода VD1 и VD2. Затем диод закроется и будет открыт только диод VD2. С увеличением напряжения на фазе c открывается диод VD3. Процесс повторяется с диодами VD2 и VD3. И, наконец, на фазе a вновь повышается напряжение и тогда вновь откроется VD1,

На осциллограммах видно, что ток в нагрузке проходит только половину периода напряжения на каждой фазе. То есть через нагрузку протекает пульсирующий ток три раза за период, поэтому частота пульсаций будет равна f_п=m ·f_с. Так как в данной схеме за период переменного напряжения выпрямляются три полупериода разных фаз, то первой гармоникой будет третья гармоника и m=3. Для частоты сети 50 Гц f_п= 150 Гц. На осциллограмме пульсации выделены утолщённой кривой.

Параметры выпрямителя.

Постоянная составляющая выпрямленного тока I₀= 0,827·I_2m=0,827·√2·I₂=1,17·I₂.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения определяется по закону Ома. U₀=I₀·R_н= 1,17·I₂·R_н =1,17·U₂.

U_обр обратное напряжение на каждом диоде определяется амплитудой линейного напряжения и тогда U_обр= √3·U_2m=1,73·1,21·U₀=2,09·U₀.

K_п – коэффициент пульсаций:

K_п=0,25. Частота пульсаций равна частоте третьей гармонике ряда Фурье, есть f_п=3f_с.

Достоинства:

- самая простая из трёхфазных схем (три диода) и дешёвая.

Недостатки:

- недостаточно малая величина пульсаций.

 

 

Мостовой выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 5.

Рис. 9. Трёхфазный мостовой выпрямитель.

 

Схема.

Схема трёхфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) имеет шесть диодов VD1÷VD6. Вторичные обмотки трансформатора включены треугольником. В каждой фазе установлены диоды VD1÷VD6 по схеме полумостов.

 

Работа выпрямителя.

Рассмотрим работу схемы в момент времени t₀ (перекрестие осей координат). На обмотке фазы a вторичной стороны трансформатора напряжение u_2a =0 в это время на обмотках фаз b и c напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе с – «+», а на фазе b - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы с – VD5 - R_н – VD4 - вывод обмотки фазы b. Диоды VD1 и VD2 закрыты, так как на анод VD1 подан 0 В, на катод «+U₀ » и на катод VD2 подан 0В, на анод – «-U₀ ». По аналогичной причине закрыты VD3 и VD6.

Момент времени t₁. На обмотках фаз a и c вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «+», в это время как на фазе b напряжение равно ≈ U_2m и полярность «-». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы a// вывод обмотки фазы c – VD1// VD5- R_н – VD4 - вывод обмотки фазы b.

Момент времени t₂. На обмотке фазы c вторичной стороны трансформатора напряжение u_2с =0 в это время на обмотках фаз a и b напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе a – «+», а на фазе b - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы a – VD1 - R_н – VD4 - вывод обмотки фазы b. Диоды VD2, VD3, VD5 и VD6 закрыты.

Момент времени t₃. На обмотке фазы a напряжение равно ≈ U_2m, полярность «+». На обмотках фаз b и c вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «-». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы a – VD1 - R_н – VD4// VD6 - вывод обмотки фазы b// вывод обмотки фазы c.

Момент времени t₄. На обмотке фазы b напряжение u_2a =0 в это время на обмотках фаз a и c напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе a – «+», а на фазе c - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы a – VD1 - R_н – VD6 - вывод обмотки фазы c. Диоды VD2, VD3 VD4 и VD65 закрыты.

Момент времени t₅. На обмотке фазы c напряжение равно ≈ U_2m, полярность «-». На обмотках фаз a и b вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «+». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы a// вывод обмотки фазы b – VD1// VD3 - R_н – VD6 - вывод обмотки фазы c.

Момент времени t₆. На обмотках фаз b и c вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе b – «+», а на фазе c - «-»)в это время на обмотке фазы a напряжение равно =0. Создаётся цепь: вывод обмотки фазы b – VD3- R_н – VD6 - вывод обмотки фазы c.

Момент времени t₇. На обмотке фазы b напряжение равно ≈ U_2m, полярность «+». На обмотках фаз a и c вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «-». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы b – VD3- R_н –VD2// VD6 - вывод обмотки фазы a// вывод обмотки фазы c.

Момент времени t₈. На обмотке фазы c напряжение u_2a =0 в это время на обмотках фаз a и b напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе b – «+», а на фазе a - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы b – VD3 - R_н – VD2 - вывод обмотки фазы a. Диоды VD2, VD3 VD4 и VD6 закрыты.

Момент времени t₉. На обмотке фазы a напряжение равно ≈ U_2m, полярность «-». На обмотках фаз b и c вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «+». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы b// вывод обмотки фазы c – VD3// VD5 - R_н –VD2 - вывод обмотки фазы a.

Момент времени t₁₀. На обмотке фазы b напряжение u_2a =0 в это время на обмотках фаз a и c напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе c – «+», а на фазе a - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы c – VD5 - R_н – VD2 - вывод обмотки фазы a. Диоды VD1, VD3 VD4 и VD6 закрыты.

Момент времени t₁₁. На обмотке фазы c напряжение равно ≈ U_2m, полярность «+». На обмотках фаз a и b вторичной стороны трансформатора напряжение ≈ 0,7·U_2m одинаковой полярности «-». Создаётся цепь: вывод обмотки фазы c – VD5 - R_н –VD2// VD4 - вывод обмотки фазы a// вывод обмотки фазы b.

Момент времени t₁₂. На обмотке фазы a напряжение u_2a =0 в это время на обмотках фаз b и c напряжение равно ≈ 0,7·U_2m разной полярности (на фазе c – «+», а на фазе b - «-»), создаётся цепь: вывод обмотки фазы c – VD5 - R_н – VD4 - вывод обмотки фазы b. Диоды VD1, VD2, VD3 и VD6 закрыты.

 

Параметры:

U₀ = 0,955·U_2m =1,35·U₂, то есть U₂= 0,74·U₀;

U_{обр mах} уменьшилось в двое по сравнению с однополупериодной схемой U_{обр mах}= 1,05·U₀;

Среднее значение тока, прохо­дящего через один диод, будет в 2 раза меньше тока в нагрузке I_{пр д}=0,5·I₀.

Для данной схемы выпрямления коэффициент пульсации К_п =0,05, во многих случая можно отказаться от сглаживающего фильтра.

Частота пульсаций равна f_п=6f_с. Так как в данной схеме за период входного напряжения выпрямляются шесть полупериодов во всех трёх фазах, то m=6. Для сети с частотой 50 Гц f_п= 300 Гц.

Достоинства:

- частота пульсаций в 6 раз больше частоты сети (проще сглаживающий фильтр)

Недостатки:

- схема сложная шесть диодов.

 

 

В настоящее время часто используют многофазные схемы выпрямителей (шести, двенадцати фазные), это позволяет отказаться от сглаживающего фильтра, что значительно уменьшает объём и вес питающей установки.

 

В лекции мы рассмотрели несколько часто встречающихся схем выпрямителей, работающих на активную нагрузку. Но так бывает достаточно редко.

Как правило, нагрузка бывает ёмкостной или индуктивной.

Если параллельно сопротивлению нагрузки поставить конденсатор, такой ёмкости, чтобы его сопротивление первым гармоникам напряжения пульсаций было, по крайней мере, в 10 раз меньше сопротивления нагрузки, то такая суммарная нагрузка будет называться ёмкостной. А зачем это делается? Это делается для снижения амплитуды пульсаций, то есть это элементарный сглаживающий фильтр. Аналогично, если последовательно с сопротивлением нагрузки включить дроссель (катушку индуктивности), то нагрузка будет индуктивной, например, обмотка реле.