Трехфазные неуправляемые выпрямители

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова.

В схемах трехфазных неуправляемых выпрямителей использу­ются группы диодов, соединенных катодами или анодами. Прежде чем рассматривать принцип действия выпрямителей, сформули­руем два правила о работе диодов, объединенных в группу.

Первое правило: в группе диодов, соединенных катодами, ток проходит только через диод, напряжение на аноде которого положительно и превышает анодные напряжения других диодов; остальные диоды закрыты. В этом можно убедиться на примере схемы, приведенной на рис. 4.10, а. В соответствии с правилом будет открыт диод V₂, и если пренебречь падением напряжения на открытом V₂, то к нагрузке R_n приложено напряжение u = 200 В. Тогда напряжение на V₁ будет равно 150 —200 = —50 В, а на V₃ —100 —200 = —300 В, и так как напряжения отрица­тельны, то V₁ и V₃ действительно будут закрыты.

Второе правило: в группе диодов, соединенных анодами, ток проходит только через диод, напряжение на катоде которого отрицательно и меньше напряжений на катодах других диодов; остальные диоды закрыты. В соответствии со вторым правилом при напряжениях, показанных на рис. 4.10, б, будет открыт диод V₃.

Рис. 4.10. Группы диодов, соединенных катодами (а) и анодами (б)

Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Рис. 4.11. Схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б-е) трехфазного неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом при работе выпрямителя на активную нагрузку

Первичная обмотка трехфаз­ного трансформатора (рис. 4.11, а), входящего в состав выпрями­теля с нулевым выводом, может быть соединена треугольником или звездой, а вторичная обмотка - звездой. К выводам вторичной обмотки присоединены аноды диодов V₁ — V₃,, соединенных ка­тодами. Нагрузка выпрямителя R_н подключена между катодами диодов и нулевым выводом вторичной обмотки.

При подаче на первичную обмотку трехфазного напряжения на фазах вторичной обмотки ω_га, ω_2b и ω_2c возбуждаются напря­жения u_2a, u_2b, u_2c, временные диаграммы которых показаны на рис. 4.11, б. Эти напряжения приложены к анодам диодов относи­тельно нулевого вывода трансформатора. В пределах ωt₁ =π/6 < ωt < ωt₂ = 5π/6 на аноде диода V₁ напряжение и_2а положительно и превышает анодные напряжения других диодов. Значит, будет открыт V₁, а V₂ и V₃ закрыты. Ток проходит по контуру ω_2a - V₁ -R_H. Напряжение на нагрузке и =u_2а, а ток нагрузки i = u 2a/R_H (рис. 9.11, в, г).

В пределах ωt<ωt₂<ωt₃ открыт диод V₂, так как на аноде V₂ наибольшее положительное напряжение по сравнению с на­пряжениями на V₁ и Vз. Напряжение на нагрузке u = u_2b,

В пределах ωt₃<ωt<ωt₄ открыт диод V_3, u=u_2c, i = u_2b/R_H

В течение следующего интервала вновь открыт V₁ затем V₂ и т. д.

Диоды выпрямителя открываются поочередно на треть пери­ода, и выпрямленное напряжение (рис. 4.11, в) составляют уча­стки фазных напряжений u_2a, u_2b, u_2c. Период изменения выпрям­ленного напряжения в три раза меньше периода изменения на­пряжения сети и равен 2π/3. Среднее выпрямленное напряжение

(4.16)

где U₂ — действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения для трех­фазного выпрямителя с нулевым выводом K_п = 0,25, частота пер­вой гармоники пульсаций в три раза превышает частоту сети.

Форма тока через активную нагрузку R_H (рис. 4.11, г) совпа­дает с формой выпрямленного напряжения.

Форма токов в фазах вторичной обмотки трансформатора и через диоды одинакова. На рис. 9.11, д показан ток i_2a, протекаю­щий через фазу ω_2a и диод V₁. В пределах ωt₁<wt < wt₂, ωt₄<ωt <ωt₅ и т. д. диод V₁ открыт, и ток i_2a равен току нагрузки i.

Если V₁ закрыт, то i_2a = 0. Токи i_2b и i_2c имеют такую же форму, как i_2a, но сдвинуты по фазе относительно i_2a на 2π/3 и 4π/3 со­ответственно.

Напряжение u_V1 на диоде V₁ на интервалах, когда V₁ открыт, равно нулю (рис. 4.11, е). Впределах ωt₂<ωt<ωt₃ диод V₁ закрыт, а V₂ открыт. Напряжение u_V1 можно найти из контура w_2a - V₁ – V₂ – ω _2b: u_V1 = u_2a – u_2b = u_ab. Впределах ωt₂<ωt<ωt₃ диод V₁ закрыт, а V₂ открыт. Напряжение u_V1 можно найти из контура w_2a - V₁ – V₂ – ω _2b: u_V1 = u_2a – u_2b = u_ab. В пределах ωt₂<ωt<ωt₄ открыт диод Vз, и из контура ω_2а — V₁ — V₂—ω_2c получим u_V1 = u_2а —u_2c=- и_са. Аналогичным образом изменяются u_V2 и и_v3. Значит, к закрытым диодам приложено обратное линейное на­пряжение, амплитуда которого в √3 раз превышает амплитуду напряжения на фазе вторичной обмотки:

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом обеспечивает неплохое качество выпрямленного напряжения, но имеет сущест­венный недостаток. Токи в фазах вторичной обмотки трансформа­тора содержат постоянную составляющую, которая создает в сер­дечнике трансформатора постоянный магнитный поток подмагничивания, вызывающий насыщение сердечника. Вследствие этого для трехфазного выпрямителя с нулевым выводом приходится вы­бирать трансформатор большей, чем расчетная, мощности. Приме­няются трехфазные выпрямители с нулевым выводом при мало­мощных нагрузках, когда увеличение массогабаритных показате­лей выпрямителя не имеет особого значения.

Трансформатор не имеет потока подмагничивания при исполь­зовании мостовой схемы трехфазного выпрямителя. Трехфазный мостовой выпрямитель предложен А. И. Ларионовым в1923 г. и широко применяется в преобразовательной технике.

Мостовой выпрямитель.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения.

В трехфазном мостовом выпрямителе (рис. 4.12, а) фазы первичной и вторичной обмоток трансформа­тора Т могут быть соединены звездой или треугольником. К выво­дам вторичной обмотки подключены две группы диодов, соединен­ных катодами (V₁, V ₃. V₅ — катодная группа) и анодами (V₂, V₄, V₆ — анодная группа). Нагрузка R_н подключается между уз­лами соединения катодов и анодов диодов.

Рассмотрим работу трехфазного мостового выпрями­теля при чисто активной нагрузке R_н (L_н = 0, ключ S замкнут). При подаче на первичную обмотку Т трехфазного напряжения пи­тания на фазах вторичной обмотки ω _2a, ω_2b, ω_2c возбуждаются на­пряжения и_2а, u_2b, и u_2c (рис. 4.12, б). Во время работы выпрями­теля одновременно открыты два диода: диод и катодной группы, анодное напряжение которого положительно и превышает анод­ные напряжения других диодов катодной группы, и диод в анод­ной группе, напряжение на катоде которого отрицательно и меньше напряжений на катодах других диодов анодной группы, В пределах ωt₁<ωt<ωt₂ открыты диод V₁ к аноду которого приложено наибольшее положительное напряжение u_2a, и диод V₆, на катоде которого наименьшее отрицательное, напряжение u_2b. Ток проходит по контуру w_2a - V₁-R_н – V₆ - w_2b, для которого мо­жно записать

Отсюда

.

Рис. 4.12. Схема трехфазного неуправляемого мостового выпрямителя (а) и временные диаграммы токов и напряжений в схеме при работе выпрямителя на активную нагрузку (б-з)

Кривые изменения линейных напряжений и_ab, u_bc = u_2b - u_2c построены на рис. 9.12, в. Амплитуда линейных на­пряжений в √3 раза больше амплитуды, фазных напряжений u_2a, u_2b, u_2c.В пределах ωt₁<ωt<ωt₂ кривая выходного напряжения u (рис. 4.12, г) совпадает с кривой u_ab.

В пределах ωt₂<ωt<ωt₃ открыты диоды V₁ и V₂, ток прохо­дит по контуру ω_2a - V₁ -R_н – V₂ - ω_2c, из которого находим u:

В пределах ωt₃<ωt<ωt₅ открыты диоды V₃ и V₂, и = и_2b — u_2c = u_bc. В пределах wt₄<wt<wt₅ открыты V₁ и V₄, и = и_2b — u_{2a = -} u_ab и т.д.

Таким образом, кривую выходного напряжения выпрямителя в течение периода изменения напряжения сети составляют шесть одинаковых участков кривых линейных напряжений. Период изме­нения u равен 2π/6.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Трехфазный мостовой выпрямитель обеспечивает высокое каче­ство выпрямленного напряжения: коэффициент пульсаций К_п = 0,06, частота основной гармоники пульсаций в шесть раз выше частоты сети.

Ток через активную нагрузку R_н равен i = u/ R_н его форма совпадает с формой напряжения (рис. 4.12, д). Среднее значение тока через нагрузку

(4.18)

Ток через открытый диод равен току нагрузки. На рис. 4.12, е, ж показан ток i_v1 через диод V₁, который открыт при ωt₁<ωt<ωt₃, ωt₇<ωt<ωt₉ и т.д., и ток i_v4 через V₄, которым открыт при ωt₄<ωt<ωt₆ и т. д. Каждый из диодов открыт в течение трети периода изменения напряжения сети, среднее значение тока через диод

(4.19)

Максимальное обратное напряжение на диодах можно найти с помощью контуров, состоящих из двух фаз вторичной обмотки и двух диодов. Рассмотрим контур ω_2a - V₁ –V₃ - ω_2b. В пределах ωt₃<ωt<ωt₅ диод V₁ закрыт, а Vз открыт, и к диоду V₁ через V₃ будет приложено отрицательное линейное напряжение u_ab,. На следующем интервале ωt₅<ωt<ωt ₇ к диоду V₁ через открытый диод V₅ будет приложено напряжение и_са. Значит, U _{обр max} на дио­дах будет равно амплитуде линейного напряжения:

(4.20)

Токи в фазах вторичной обмотки трансформатора определя­ются токами через подключенные к фазам диоды. К фазе ω_2a под­ключены диоды V₁ и V₄. В пределах ωt₁<ωt<ωt₃ ток i_2a равен току через открытый диод V₁: i_2a = i_v1 (рис. 4.12, з). В пределах ωt₄<ωt<ωt₆ открыт диод V₄, и i_2a = -i_v4. Токи в фазах вторич­ной обмотки переменные, и постоянного потока подмагничивания в сердечнике трансформатора нет. Токи в фазах первичной об­мотки имеют такую же форму, как и токи в фазах вторичной об­мотки, и меньше их в k раз.

Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенных, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности. Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.