Мой сайт

Основные схемы выпрямления однофазного и трёхфазного тока

В настоящее время разработано и применяется на практике много схем выпрямителей однофазного и трехфазного тока. Выбор той или иной схемы определяется свойствами применяемых вентилей и условиями работы выпрямителя. Например, в выпрямительных агрегатах для зарядки аккумуляторных батарей, где требуются небольшие значения выпрямленного напряжения, наиболее приемлемыми оказались схемы однофазного выпрямления с селеновыми вентилями. При выпрямлении высоких напряжений до 1000 - 1500 В часто приходится прибегать к последовательному соединению вентилей или применять диоды на большие значения U_o6p. Следовательно, применение в таком выпрямителе трехфазной схемы выпрямления на кремниевых диодах позволит затратить меньшее число вентилей, получить более высокий к. п. д. и снизить габариты выпрямителя.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим работу основных схем выпрямления однофазного и трехфазного тока, предполагая вначале для простоты расчетов параметров и облегчения понимания физической сущности процессов в элементах схем, что выпрямитель работает на активную нагрузку и состоите из идеальных вентилей и трансформатора, в которых можно пренебречь падениями напряжения, а также обратными токами вентилей, индуктивностями и намагничивающим током трансформатора.

Назначение и элементы выпрямителей

Выпрямитель представляет собой устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Основными элементами выпрямителя (рис. 7) обычно являются: силовой трансформатор 1, служащий для согласования входного U_c и выходного U_d напряжений выпрямителя, а также для электрического разделения питающей сети и цепи нагрузки; блок вентилей 2 осуществляет выпрямление переменного тока; сглаживающий фильтр 3 служит для уменьшения пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки 4. Если выпрямитель управляемый, то в блок-схему входит еще узел 6, содержащий систему управления вентилями. Для зашиты выпрямителя от повреждений при аварийных режимах в его схему входит блок защиты и сигнализации 5.

В некоторых случаях в схеме выпрямителя могут отсутствовать отдельные элементы, например фильтр 3, при работе выпрямителя на нагрузку индуктивного характера или силовой трансформатор 1 в случае бестрансформаторного включения выпрямителя.

Рис. 7. Структурная схема выпрямителя.

Выпрямители однофазного тока

Однополупериодная однофазная схема. В этой схеме (рис. 8, а) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение u₂ которой изменяется по синусоидальному закону u₂ = U_макс2 sin ωt. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды (рис. 8, в), когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля B₁, имеет положительный потенциал относительно точки б. В отрицательные полупериоды (интервал времени ωt*_1-2 на рис. 8, в) к вентилю B₁ прикладывается обратное напряжение и он будет закрыт.

Рис. 8. Однофазный выпрямитель.

а — однополупериодная схема; б — двухполупериодная схема; в и г — диаграммы напряжений и токов на элементах схем выпрямления.

Выпрямленное напряжение u_d будет описываться положительными полуволнами напряжения u₂ вторичной обмотки трансформатора. Среднее за период значение напряжения на нагрузке называется выпрямленным напряжением U_d. Ток в нагрузке R_d проходит в одном направлении, но имеет пульсирующий характер и представляет собой выпрямленный ток i_d.

Выпрямленные напряжения u_d и ток i_d содержат постоянную (полезную) составляющую U_d и I_d и переменную составляющую (пульсации) V_d~ и I_d_~. Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока.

Для однополупериодной схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения при идеальных вентилях и трансформаторе

U_d0=0,45 U₂. (1)

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемое к вентилю в непроводящую часть периода, определяется через U_d₀:

U_{обр.макс} = √2 U₂ = 3,14 U_d0, (2)

где U₂ - действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора Тр.

Среднее значение тока, проходящего через вентиль и нагрузку,

I_a = I_d = U_d0/R_d.

Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется произведением напряжения U_d и тока I_d , т. е. P_d = U_dI_d.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора, определяющая его габариты, в 3,09 раза больше мощности в нагрузке R_d :

S_тp= 3,09 U_dI_d. (3)

Таким образом, расчетная мощность трансформатора, работающего на выпрямитель, больше мощности в нагрузке, так как во вторичной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий постоянную и переменные составляющие, а в первичной обмотке, кроме тока основной частоты f₁, токи высших гармоник. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощности, лишь нагревают обмотки трансформатора выпрямителя.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется формулой

I₂ = 1.57 I_d. (4)

Из формулы (4) следует, что показания амперметра электромагнитной системы А₂, включенного в цепь вторичной обмотки трансформатора Тр (рис. 8, а), будут в 1,57 раза превышать показания магнитоэлектрического амперметра A_d, так как первый измеряет действующее значение тока, а второй - средний ток в цепи нагрузки.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

U₂ = 2,22 U_d. (5)

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации k_тр = ω₁/ω₂

I₁ = 1,51 1/k_тр I_d. (6)

Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое

использование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Достоинства выпрямителя следующие: простота схемы и питающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.

Двухполупериодная однофазная схема. Схема состоит из трансформатора, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток (рис. 8, б). Коэффициент трансформации k_тр определяется отношением U₁/U₂, где U₂ — напряжение одной вторичной обмотки (фазное напряжение).

Свободные концы вторичных обмоток а и б присоединяются к анодам вентилей В₁ и В₂, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка R_d включается между катодами вентилей, которые являются положительным полюсом выпрямителя, и нулевым выводом О трансформатора, который служит отрицательным полюсом.

Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформатора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при положительных значениях анодных напряжений U_2a и U₂_b (рис. 8, г), в качестве которых обычно принимают направления, совпадающие с проводимостями вентилей.

Действительно, при изменении напряжения в точках а и б по закону U₂= U_макс2 sin ωt в тот полупериод, когда напряжение в обмотке 0_a положительно, ток проводит вентиль B₁, анод которого положителен по отношению к катоду, связанному через сопротивление R_d с точкой 0 вторичных обмоток. Анод вентиля В₂, так же как вывод б обмотки 0_b, в этот полупериод (t₀ — t₁) отрицателен по отношению к нулевому выводу 0 и, следовательно, тока не пропускает.

В следующий полупериод (интервал времени t₁ — t₂ на рис. 8, г), когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток будет пропускать вентиль В₂, а вентиль В₁ оказывается запертым отрицательным напряжением. Ток в нагрузке R_d все время течет в одном направлении - от катодов вентилей к нулевой точке 0 вторичных обмоток трансформатора.

Для однофазной нулевой схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения при идеальных вентилях и трансформаторе

U_d0 — 0,9 U₂. (7)

Вентиль, не работающий в отрицательную часть периода, оказывается под воздействием обратного напряжения, равного двойному фазному, так как положительный потенциал вывода а (б) вторичной обмотки трансформатора через проводящий диод В₁(В₂) подается к катоду диода В₂ (В₁), а анод закрытого вентиля имеет отрицательный потенциал.

Максимальное значение обратного напряжения будет равно:

U_обр. _макс = 2 √2 U₂ = 3,14 U_d₀. (8)

Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

   I_d =
U_d0 =   U₂
                              (9)

R_d 1.11 R_d

Среднее значение тока через каждый вентиль в 2 раза меньше тока I_d, проходящего через нагрузку, т. е. I_а = 0,5 I_d.

Действующее значение тока вентиля I_{а.
действ} равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I₂и определяется формулой

I₂ = 0,785 I_d = 1,57 I_a. (10)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

U₂= 1,11 U_d0. (11)

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициента трансформации k_тр будет равно:

   I₁ =√2
1
I₂ =1,11
1
I_d

                                                                                               (12)

k_тр k_тр

Расчетные мощности обмоток трансформатора определяются произведениями действующих значений тока и напряжения:

S₂ = 2 I₂ U₂ = 2 ۰ 0,785 I_d ۰ 1,11 U_d0= 1,74 P_d;

S₁ = I₁ U₁ = 1,11
1 I_d ۰ 1,11 k_т_р U_d0 = 1,23 P_d

k_тр

Расчетная (типовая) мощность трансформатора будет:

S_тр =
S1 + S2 = 1,23 + 1,74 P_d = 1,48 P_d
(13)

2 2

Частота основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения в данной схеме равна двойной частоте сети 2f₁. Коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрямителя равен:

   q =
2 =   2 = 0,67
                                                                             (14)

m² - 1 2² - 1

где m - число фаз выпрямителя, т, е. число полуволн выпрямленного напряжения, приходящееся на один период переменного тока, питающего выпрямитель.

Рис. 9. Однофазный мостовой выпрямитель.

а — схема; б и в — диаграммы напряжений и токов на элементах схемы.

Однофазная мостовая схема состоит из трансформатора Тр с двумя обмотками и четырех вентилей В₁, В₂, В₃ и В₄, соединенных по схеме моста (рис. 9, а). К одной диагонали моста (точки 1, 3) присоединяется вторичная обмотка, в другую (точки 2, 4) включается нагрузка R_d. Общая точка катодов вентилей В₁ и В₂ является положительным полюсом выпрямителя, а отрицательным - точка связи анодов вентилей В₃ и В₄.

Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения U₂ проводят ток вентили В₁ и В₃, а к вентилям В₂ и В₄ прикладывается обратное напряжение и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения U2 будут проводить ток вентили В₂ и В₄, а вентили В₁ и В₃выдерживают обратное напряжение.

Ток i_d в нагрузке проходит все время в одном направлении - от соединенных катодов вентилей В₁ и B₂ к анодам вентилей В₃ и В₄. Ток i₂ во вторичной обмотке трансформатора (рис. 9, б) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным магнитным потоком. Ток в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.

Средние значения выпрямленного напряжения U_d0 и тока I_ачерез вентиль в этой схеме получаются такими же, как и в схеме с нулевой точкой.

Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям, определяется напряжением U₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 9, б), так как не работающие в данный полупериод вентили оказываются присоединенными ко вторичной обмотке трансформатора через два других работающих вентиля, падением напряжения в которых можно пренебречь. Следовательно,

U_о_{бр.
макс} = √2 U₂ = 1,57 U_d0. (15)

Соотношения между другими величинами для однофазной мостовой схемы приведены в табл. 3. Сравним достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.

Однофазная нулевая схема:

1. Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мостовой.

2. Потери мощности в выпрямителе будут меньше,, так как в нулевой схеме ток проходит через один вентиль, а в мостовой - последовательно через два.

Однофазная мостовая схема:

1. Обратное напряжение на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.

2. Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки при одинаковом значении U_d0.

3. Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вывода средней точки на вторичной обмотке.

4. Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и железа, меньше будут размеры и масса.

5. Данная схема выпрямителя может работать и без трансформатора, если напряжение сети U_iподходит по величине для получения необходимого значения U_d0 и не требуется изоляция цепи выпрямленного тока от сети.

Таблица 3 Соотношения между токами и напряжениями в выпрямителях
Схемы выпрямления	Зависимость U_d от угла регулирования в непрерывном режиме	U_d0 / U₂_ф	U_{обр. макс}	I_a / I_d	I_{а. действ} / I_d	I₂ / I_d	S_тр / P_d	Коэффициент пульсации, %
Однофазная двухполупериодная (нулевая)	U_d = U_d0cos ɑ	0,9	3,14	0,5	0,785	0,785	1,48	67
Однофазная двухполупериодная (нулевая)	U_d = U_d0cos ɑ	0,9	3,14	0,5	0,71	0,71	1,34	67
Однофазная мостовая	U_d = U_d0 cos ɑ	0,9	1,57	0,5	0,785	1.11	1,23	67
Однофазная мостовая	U_d = U_d0 cos ɑ	0,9	1,57	0,5	0,71	1,0	1,11	67
Трехфазная нулевая	U_d = U_d0 cos ɑ	1,17	2,09	0,33	0,585	0,585	1,37	25
Трехфазная нулевая	U_d = U_d0 cos ɑ	1,17	2,09	0,33	0,577	0,577	1,35	25
Трехфазная мостовая	U_d = U_d0 cos ɑ	2,34	1,05	0,33	0,577	0,817	1,05	6
Трехфазная с уравнительным дросселем	U_d = U_d₀ cos ɑ	1,17	2,09	0,167	0,29	0,29	1,26	6

Примечания: 1. Для неуправляемых выпрямителей ɑ = 0, COS ɑ = 1 и U_d0.

2. Для всех схем принято U₂ - фазное напряжение и x_ɑ= 0.

3. Соотношения для I_a. _д_ейств , S_тр указаны при L_d = 0 (числитель) и L_d = ∞ (знаменатель).

При использовании в выпрямителе электронных или ионных вентилей с подогревным катодом целесообразнее применять однофазную нулевую схему, так как в этом случае требуется меньшее число накальных трансформаторов или обмоток. При использовании полупроводниковых вентилей очевидным становится применение однофазной мостовой схемы.

______________________________

* При дальнейшем изложении текущие моменты времени ωt будем обозначать t, как это принято в схемах выпрямления.

Выпрямители трёхфазного тока

Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой (или трехфазная нулевая). К сети трехфазного тока подключен трансформатор Тр, три первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, вторичные обмотки - только в звезду (рис. 10, а). Свободные концы а, Ь, с каждой из фаз вторичной обмотки присоединяются к анодам вентилей В₁, В₂, В₃. Катоды вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R_d, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора - отрицательным полюсом.

Из временной диаграммы на рис. 10, 6 видно, что напряжения u_2а , u_2b и u_2с сдвинуты по фазе на 2 π/3 (град) и в течение 1/3 периода (1/3 Т) напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Ток через вентиль i_a, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет проходить в течение той трети периода, когда напряжение в данной фазе больше, чем у двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и г на рис. 10, 6). Выпрямленный ток i_dпроходит через нагрузку R_d непрерывно (рис. 10, в).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d в любой момент равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряжение представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений u_2ф.

При изменении вторичного напряжения по закону u₂ = U _макс₂ sin ωt ток каждой из фаз будет являться синусоидальной функцией

   i₂=

u₂
=   U _{макс 2} sin ωt
                                                                                     (16)

R_d
R

Следовательно, анодный ток i_а будет иметь форму прямоугольника с основанием 2 π/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды. На рис. 10, г изображен ток фазы а, токи фаз b и с изображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 2 π/3 относительно друг друга.

Для трехфазной нулевой схемы выпрямления характерны следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Рис. 10. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой.

а — схема; б—г — диаграммы напряжений и токов на элементах.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе (когда на выходе выпрямителя включен только вольтметр)

U_d0 = 1,17 U₂_ф. (17)

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую U_d и наложенную на нее переменную составляющую U_d~ , имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

   q =
2 =   2 = 0,25
                                      (18)

m² - 1 3² - 1

Обратное напряжение u_обр, приложенное к неработающему вентилю, равно междуфазному напряжению вторичных обмоток трансформатора, так как анод закрытого вентиля присоединен к одной из фаз, а катод через работающий вентиль присоединен к другой фазе вторичной обмотки Тр. На рис. 10, г показана кривая обратного напряжения u_об_р между анодом и катодом вентиля B₁.

Максимальное значение u_обр равно амплитуде междуфазного (линейного) напряжения вторичной обмотки Тр:

U _{обр. макс} = √3 √2 U₂_ф = 2,09 U_do (19)

Ток в нагрузке равен отношению выпрямленного напряжения к сопротивлению нагрузки, т. е. i_d = u_{d /}R_d. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

   I_d =
U_d0 = 1,17   U₂_ф
   (20)

R_d R_d

Каждый вентиль в данной схеме работает один раз за период в течение 1/3 Т. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, т. е. I_а = 1/3 I_d .

Действующее значение токов во вторичной обмотке I₂ и вентиля I _{а. действ} определяется формулой

I₂ = I _{а. действ} = √3 I_a = 0,585 I_d (21)

При одинаковом числе фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора Tp(m₁ = m₂) и одинаковых схемах соединения обмоток (звезда-звезда) действующее значение первичного фазного тока I₁ меньше приведенного значения тока I₂', так как в кривой тока первичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, которая не трансформируется, т. е.

I₁ =
1 √I²₂ - I_a² ≈ 1 0,47 I_d
(22)

k_тр k_тр

Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным обмоткам трансформатора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает во всех трех сердечниках поток Ф₀ одного направления, значение которого изменяется с тройной частотой в соответствии с пульсацией анодного тока и который замыкается через воздух и кожух трансформатора. Наличие потока однофазного или вынужденного намагничивания Ф₀ в сердечниках приводит к увеличению намагничивающего тока трансформатора, а также к необходимости увеличения сечения сердечника во избежание его насыщения.

Типовая мощность трансформатора при соединении вторичных обмоток в звезду без учета повышения массы магнитной системы, вызванного наличием потока Ф₀, равна:

S_тр =
S₁ + S₂ = 3U₁_фI₁ + 3U₂_фI₂ = 1,35 P_d
(23)

2 2

Трехфазная мостовая система. Выпрямитель в данной схеме состоит из трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и шести вентилей, которые могут быть разбиты на две группы (рис. 11, а):

1) катодную или нечетную (вентили B₁, В₃ и В₅), в которой электрически связаны катоды вентилей и общий вывод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток трансформатора;

2) анодную или четную (вентили В₂, В₄ и В₆ ). в которой .электрически связаны между собой аноды вентилей, а катоды соединяются с анодами первой группы. Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи.

Катодная группа вентилей повторяет режим работы трехфазной нулевой схемы. В этой группе вентилей в течение каждой трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 11, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот вентиль, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.

Вентили катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, б, в и г на рис. 11, 6), а вентили анодной группы - в момент пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м и н).Каждый из вентилей работает в течение одной трети периода (рис. 11, е).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток два вентиля — один из катодной, другой из анодной группы, при этом любой вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки (рис. 11, г и д). Через каждую фазу трансформатора ток i₂ будет проходить в течение 2/3 периода: 1/3 периода - положительный и 1/3 - отрицательный. Ток i_d в нагрузке все время проходит в одном направлении.

Рис. 11. Трехфазная мостовая схема выпрямителя.

а — соединение элементов; б - е — диаграммы .напряжений и токов.

В течение рабочего интервала одновременно проходят токи во вторичных обмотках, расположенных на разных стержнях магнитной системы (см. токи i_a2 и i_b2 на рис. 11, а), при этом через две первичные обмотки, расположенные на тех же стержнях, также проходят токи. Намагничивающие силы от токов i₁и i₂ на каждом из стержней в этом случае уравновешиваются, и однонаправленный поток Ф₀ не возникает.

Выпрямленное напряжение u_d (рис. 11, в) в этой схеме описывается верхней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений u_2л (см. пунктирную кривую на рис. 11, в). Частота пульсаций кривой u_d равна 6_f1, коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя равен:

q =
U _макс = 2 = 2
= 0,057

(24)

U_d0 m² - 1 6² - 1

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Ординаты кривой u_обр Для вентиля В₁ показаны на рис. 11, 6 штриховкой, а на рис. 11, е кривая u_обр изображена полностью.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле в трехфазной мостовой схеме равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Выпрямленный ток i_d при работе на чисто активную нагрузку полностью повторяет кривую u_d (см. пунктирную кривую на рис. 11, в).

Соотношения между напряжениями и токами в трехфазной мостовой схеме приведены в табл. 3.

Трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором. Силовой трансформатор данной схемы имеет на каждом стержне две одинаковые вторичные обмотки, которые соединяются в две звезды - прямую а — b — с и обратную х — у — z (рис. 12, а).

К свободным началам вторичных обмоток одной звезды присоединяются аноды нечетной группы вентилей В₁ — В₃ — В₅, к концам обмоток другой звезды - аноды вентилей четной группы В₂ — В₄ — В₆. Нагрузка R_d включается между средней точкой 0 уравнительного реактора УР, связывающего нулевые точки звезд 0₁ и 0₂, и общей точкой катодов вентилей, которая является положительным полюсом выпрямителя.

Рис. 12. Трехфазный выпрямитель с уравнительным реактором. а — схема; б—д — диаграммы токов и напряжений.

Эту схему можно рассматривать как параллельное соединение двух трехфазных выпрямителей с нулевой точкой, фазные напряжения питания которых u_2а — u_2ь — u_2с и u_2х — u_2у — u_2z(на рис. 12, б эти напряжения показаны соответственно сплошными и пунктирными линиями) сдвинуты по фазе относительно друг друга на 60°. Уравнительный реактор выравнивает мгновенные значения напряжений двух вторичных обмоток. Это происходит под действием уравнительного напряжения U_k (на рис. 12, б показано заштрихованными криволинейными треугольниками), которое наводится в полуобмотках реактора УР. По контуру: дроссель, фаза и работающий вентиль - проходит намагничивающий ток дросселя, имеющий тройную частоту по отношению к частоте сети (рис. 12, д). При выполнении УР с замкнутым стальным сердечником намагничивающий ток I_ур = I_d _крит составляет не более 1% номинального тока нагрузки I_d_н. В любой момент времени через две вторичные обмотки разных звезд проходят одновременно в противоположных направлениях токи, что исключает явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, характерное для трехфазной нулевой схемы выпрямления.

Кривая выпрямленного напряжения u_d расположена посредине между вторичными напряжениями отдельных систем и изображена на рис. 12, 6 утолщенной черной линией. Частота пульсаций кривой u_d равна 6_f1, коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя q - 0,057. Среднее значение выпрямленного напряжения (при работе схемы в режиме двойной трехфазной звезды) равно:

U_d0 = 1,17 U₂_ф. (25)

Токи в вентилях имеют форму прямоугольников длительностью 1/3 Т и высотой I_d/2, ограниченных сверху кривой линией. Среднее значение тока вентиля

I_а. _ср = 1/6 I_d.

Соотношения между другими величинами для данной схемы приведены в табл. 3.

Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором при незначительном (критическом) токе нагрузки I_d _крит начинает работать как шестифазная схема с нулевым выводом, так как уравнительный реактор в этом случае не создает добавочного напряжения u_k, а его полуобмотки играют роль анодной индуктивности. Напряжение холостого хода выпрямителя возрастает до значения U_d0= 1,35 U₂_ф, так как выпрямленное напряжение формируется верхушками синусоид переменных напряжений шириной 60°, и превосходит примерно на 15% напряжение U_d0 при трехфазном режиме работы схемы.

Произведем сравнение достоинств трехфазных схем выпрямления при одинаковых значениях мощности P_d, напряжения U_d, отсутствия параллельного и последовательного соединения вентилей в плечах выпрямителей.

Трехфазная схема с нулевой точкой:

1. Схема простая. Число вентилей в 2 раза меньше, чем в мостовой или двойной трехфазной схемах.

2. Меньше потери в вентилях, так как в данной схеме ток проходит через один диод, а в мостовой последовательно через два диода.

Трехфазная мостовая схема:

1. Обратное напряжение, прикладываемое к вентилям, в 2 раза меньше, чем в схемах с нулем и уравнительным реактором.

2. Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки, но сечение провода в √2 раз больше.

3. Нет вынужденного намагничивания сердечника. Нормальное исполнение обмоток трансформатора.

4. Габаритная мощность трансформатора на 30% меньше, чем в схеме с нулем, и на 26% меньше, чем в схеме с уравнительным реактором, ток первичной обмотки имеет форму синусоиды.

Трехфазная схема с уравнительным реактором:

1. Токи в фазах первичной обмотки трансформатора являются чисто переменными, нет подмагничивания сердечника.

2. Частота основной гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения, как и в мостовой схеме, в 2 раза выше и почти в 4,5 раза меньше, чем в нулевой схеме.

Преимущества трехфазной схемы с нулевой точкой проявляются в случае, если главным требованием является простота выпрямителя или используются треханодные вентили с общим катодом, например трехфазный ртутный вентиль типа РМ-200.

При применении полупроводниковых вентилей преимущества имеет мостовая схема, которая может работать непосредственно от сети, если напряжение U₁ подходит по величине для получения нужного значения U_d и не требуется изоляция от питающей сети цепи выпрямленного тока.

Выпрямитель с уравнительным реактором в связи с наличием трансформатора с двумя вторичными обмотками и реактора уступает мостовой схеме. Однако для выпрямителей на низкое напряжение около 100 В и большой ток 500 - 1000 А целесообразно применять схему с уравнительным реактором, так как нагрузочный ток в этой схеме проходит параллельно через два вентиля, а в трехфазной мостовой - последовательно через два вентиля.

Это обстоятельство позволяет уменьшить число установленных вентилей и получить более высокий к. п. д. выпрямителя на значительный I_dн, когда I_а. _расч > I_{a.
ном} , ив мостовой схеме приходится применять параллельное соединение вентилей.

Управляемые выпрямители

В большинстве практических случаев вентильные преобразователи применяются не только для выпрямления переменного тока в постоянный, но должны обеспечивать возможность плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения U_d , например для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т. д.

При использовании в выпрямителях неуправляемых вентилей среднее значение выпрямленного напряжения U_d, как это видно из выражений (7), (17) и табл. 3, пропорционально напряжению U_2ф. Поэтому регулирование U_d в этом случае возможно только за счет изменения напряжения вторичной обмотки трансформатора, что не всегда удобно.

Более широкие возможности для регулирования выпрямленного напряжения дает применение в схемах выпрямления управляемых вентилей - тиристоров, промышленное производство которых началось в 60-х годах.

Принцип действия управляемого выпрямителя. На рис. 13, а изображена однофазная нулевая схема управляемого выпрямителя, которая отличается от схемы на рис. 8, б тем, что неуправляемые вентили В₁ и В₂ заменены тиристорами Т₁ и Т₂ . Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмотки, а управляющие электроды связаны с системой управления СУ , которая формирует синхронно с напряжением сети управляющие импульсы напряжения U_y1 и U_y2 и позволяет изменять их фазу относительно фазных напряжений u₂_a и u_2б источника питания.

При использовании в схеме неуправляемых вентилей вентиль В₁ открылся бы в момент времени t₀ (рис. 13, б), который является моментом естественного отпирания диода. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и отпирающего импульса на управляющем электроде. Предположим, что на управляющий электрод тиристора Т₁ отпирающий импульс U_y1будет подан в момент t₁, следовательно, этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительного напряжения u_2a ,в результате чего в интервале t₀ — t₁ напряжение на нагрузке R_d будет равно нулю, так как оба тиристора Т₁ и Т₂закрыты.

Рис. 13. Однофазный управляемый выпрямитель.

а — схема; б—г — диаграммы напряжений и токов в элементах.

Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в электрических градусах, называется углом управления и обозначается буквой ɑ. В момент отпирания тиристора Т₁ напряжение u_d на нагрузке R_dскачком возрастает и далее изменяется по кривой фазного напряжения u_2а. В момент t₂ напряжение u₂_a меняет знак, тиристор Т₁ запирается, в интервале t₂—t₃ оба вентиля будут закрыты и ток i_d в нагрузке не проходит, а в момент t₃ вступает в работу тиристор Т₂ и остается открытым до момента t₄. Далее через интервал, равный углу а, вновь вступит в работу тиристор Т₁ и т. д.

При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая выпрямленного тока i_d полностью повторяет форму кривой напряжения u_d (рис, 13, б и в). На рис. 13, г построена кривая обратного напряжения u_обр на тиристоре Т₁ для случая работы схемы с углом регулирования ɑ = 60°. В интервале t₀ — t₁ к тиристору Т₁ приложено прямое напряжение u_пр = u_2а , в интервале t₁ — t₂ тиристор Т₁ открыт и падение напряжения на нем практически равно нулю. В момент t₂, когда ток i_d равен нулю, тиристор Т₁ закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение, равное фазному — u₂_a, поскольку тиристор Т₂ также закрыт. В момент t₃ = π + ɑ открывается тиристор Т₂ и к тиристору Т₁ прикладывается междуфазное напряжение вторичной обмотки трансформатора, которое будет действовать на нем до момента t₄=2π, когда тиристор Т₂закроется. В дальнейшем процессы в схеме будут повторяться через каждый период.

Очевидно, что если изменять угол ɑ (сдвигать по фазе управляющие импульсы U_y относительно напряжения на анодах тиристоров), то будут изменяться время работы тиристоров и соответственно величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого будет определяться выражением

U_d = U_do
1 + cos ɑ
(26)

2

где U_d0 - наибольшее значение выпрямленного напряжения при полностью открытых (ɑ = 0) тиристорах Т₁ и Т₂ может быть подсчитано по формуле (7).

При работе выпрямителя на активную нагрузку и регулировании выпрямленного напряжения от 0 до U_d0, как видно из формулы (26), угол регулирования ɑ необходимо изменять от ɑ _макс = 180° до ɑ_мин = 0. Действительно, если ɑ = 180°, то cos 180° = -1 и U_d = 0; при ɑ = 0 cos 0 = 1 и U_d= U_d0 = 0,9 u_2ф.

Следовательно, рабочий режим неуправляемого выпрямителя является предельным, к которому приближается управляемый выпрямитель при угле управления ɑ = 0.

В отличие от неуправляемого выпрямителя, вентили которого выдерживают только обратное напряжение, вентили управляемого преобразователя должны выдерживать как прямое, так и обратное напряжение. При активной нагрузке максимальное значение обратного напряжения на закрытом в данный полупериод тиристоре при углах ɑ<90° равно амплитуде напряжения всей вторичной обмотки трансформатора и (как в неуправляемой схеме) определяется выражением (8).

Значение прямого выражения U_пр на закрытом тиристоре при ɑ<90° зависит от угла регулирования следующим образом:

U_пр = √2 U_2ф sin ɑ. (27)

При ɑ=90° значение U_пр достигает максимума. Среднее значение выпрямленного тока определяется как I_d = U_d/R_d, где U_d можно вычислить по формуле (26). При угле регулирования ɑ=0 в нагрузке будет наибольший ток I_d = U_d0/R_d.

Среднее значение тока через тиристор I_а. _cр = 0,5 I_d, действующее значение тока тиристора I_a, действ и вторичной обмотки трансформатора I₂, а также тока его первичной обмотки I₁ при ɑ = 0 определяются соответственно по формулам (10) и (12). Количественные соотношения между другими величинами для однофазной нулевой схемы на управляемых вентилях приведены в табл. 3.

Работа однофазной мостовой схемы на управляемых вентилях отличается от работы однофазной нулевой схемы выпрямления на диодах тем, что управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора, расположенных в противоположных плечах выпрямительного моста.

Кривые выпрямленного напряжения u_d и выпрямленного тока i_d однофазной мостовой схемы на тиристорах аналогичны соответствующим кривым для однофазной нулевой схемы на диодах. Количественные соотношения для токов и напряжений схемы приведены в табл. 3.

В трехфазной нулевой схеме с тиристорами (рис. 14, а) управляющие импульсы подаются на них с некоторым смещением во времени по отношению к моменту естественного отпирания диодов в неуправляемой схеме, которой соответствует точкам пересечения синусоид фазных напряжений (точки а, б, в и г на рис. 14, б).

Рис. 14. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой.

а — схема; б—д — диаграммы напряжений и токов в элементах.

Пусть, например, управляющие импульсы на тиристоры T₁, Т₂, Т₃ подаются в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (это соответствует углу ɑ = 60°). В этом случае на нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения u_d в форме четверти синусоиды (рис. 14, в).

Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления ɑ вызывает соответствующее уменьшение (рис. 14, 6) или увеличение (рис. 14, г) импульсов напряжения u_d. При угле ɑ = 0 кривая выпрямленного напряжения (рис. 14, д) будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 10, 6). Очевидно, что кривая тока i_d по своей форме будет повторять кривую выпрямленного напряжения u_d при работе выпрямителя на активную нагрузку.

Из этих кривых видно, что имеются две характерные области работы управляемого выпрямителя. Первая соответствует изменению угла регулирования в пределах 0 < а < 30°, при этом выпрямленный ток будет непрерывным и среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением

U_d = U_docos ɑ. (28)

Каждый тиристор схемы в этом случае работает одну треть периода. Вторая область соответствует углам ɑ>30° и характеризуется тем, что при прохождении фазных напряжений через нуль (точки к, л, м, н на рис. 14, в) работающий тиристор закрывается, а так как на очередной вступающий в работу тиристор отпирающий импульс еще не подан, то в кривой выпрямленного напряжения возникают паузы (нулевые участки), в течение которых ток i_d= 0.

Длительность прохождения тока через вентиль в этом случае будет меньше 1/3 Т и среднее значение выпрямленного напряжения рассчитывается по формуле

U_d = √3/3 U_d0[1 + cos (30° + ɑ)]. (29)

Для трехфазной нулевой схемы при работе на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором U_d = 0, является угол ɑ_макс = 150°. Напряжение на вентиле определяется разностью потенциалов анода и общей точки катодов, потенциал которой изменяется по кривой напряжения u_d. Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, так же как в схеме с неуправляемыми вентилями, равно амплитуде напряжения u₂_a /см. уравнение (19)/.

В трехфазной мостовой схеме с управляемыми вентилями (рис. 15, а), так же как и с неуправляемыми, одновременно работают два тиристора: один из катодной (нечетной) группы, другой из анодной (четной) группы, и нагрузка в любой момент времени присоединяется к двум фазам вторичной обмотки трансформатора. Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной группы подаются с опережением на 180° по отношению к тиристорам четной группы, присоединенным к тем же выводам вторичной обмотки, так как первые работают при положительных значениях фазных напряжений - на анодах, вторые - при отрицательных на катодах.

Работа рассматриваемой схемы выпрямления иллюстрируется диаграммами мгновенных значений фазных напряжений на тиристорах (рис. 15, 6); кривыми выпрямленного напряжения u_d (рис. 15, в), которое получается путем суммирования мгновенных значений напряжений работающих в данный момент вентилей; кривыми анодных токов (рис. 15, г) катодной группы — над осью времени, анодной группы — под осью. Каждая из диаграмм построена для трех значений углов регулирования:

а₁ = 30°, а₂ = 60° и а₃ = 90°.

Рис. 15. Трехфазная мостовая схема на управляемых вентилях,

а-соединение элементов: 6-г - диаграммы напряжений и токов при различных углах ɑ.

При угле регулирования ɑ = 0 отпирающие импульсы на тиристоры необходимо подавать в моменты, соответствующие точкам пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и к, л, м на рис. 11, б). В этом случае каждый из вентилей проводит ток в течение 1/3 периода, как в неуправляемой схеме, а чередование пар работающих тиристоров происходит через 60° (см. рис. 11, в).

Пока угол регулирования ɑ ≤ 60°, кривые выпрямленного напряжения, а следовательно, и кривые выпрямленного тока (рис. 15, в и г) при активной нагрузке непрерывны. Для этого режима (0 ≤ ɑ ≤ 60°) среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением (28). Как видно из рис. 15, г, через вступающий в работу тиристор ток может проходить только при условии, если одновременно открывается или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому номеру) тиристор другого плеча моста. В противном случае цепь тока не будет замкнута и очередной вступающий в работу тиристор не откроется.

При пуске выпрямителя с нуля (U_d = 0) или при переходе его в режим прерывистых токов (а > 60°) возможно нарушение указанного выше условия. Поэтому на управляющие электроды тиристоров в трехфазной мостовой схеме выпрямления необходимо подавать импульсы шириной больше 60° или два узких импульса с интервалом между ними в 60° (рис. 15, б, при ɑ₃ = 90°).

Схема управления выпрямителем должна быть построена так, чтобы при подаче отпирающего импульса на вступающий в работу тиристор одного плеча моста одновременно осуществлялась бы подача импульса на управляющий электрод тиристора отстающей фазы противоположного плеча моста. Например, при работе выпрямителя с ɑ = 90° (рис. 15, 6) для того чтобы открыть тиристор Т₁ в момент t_i необходимо одновременно подать отпирающий импульс и на тиристор T₆, после чего оба вентиля будут проводить ток до момента t₂, когда разность мгновенных значений напряжений u_2а и u₂_b будет равна нулю и тиристоры Т₁ и Т₆ закроются. Затем в момент t₃ должен вступить в работу тиристор Т₂, который откроется только при условии наличия повторного отпирающего импульса на тиристоре Т₁ или при условии, что на управляющий электрод этого тиристора в момент t₁ будет подан импульс длительностью больше 60°. Тиристоры Т₂ и Т₁ будут проводить ток до момента t₄, далее вступит в работу следующая пара тиристоров Т₃ и T₂ и т. д.

Среднее значение выпрямленного напряжения, когда ток i _dпрерывистый (ɑ > 60°), определяется выражением

U_d = U_do[1 + cos (60 +ɑ)]. (30)

Из формулы (30) следует, что при работе данной схемы на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором U_d= 0, является угол ɑ_макс = 120°.

Учёт влияния параметров вентилей и трансформатора на работу выпрямителя

Вначале было сделано допущение, что в выпрямителях используются идеальные вентили и трансформаторы. В действительности вентили имеют некоторое сопротивление r_ав прямом направлении, а обмотки трансформаторов обладают активным сопротивлением r₁ и г₂, поэтому при нагрузке выпрямителя током I_d возникает падение напряжения в этих сопротивлениях, и напряжение U_d на нагрузке будет меньше, чем напряжение U_d0 при холостом ходе выпрямителя:

U_d = U_d0 - ΔU_d,

где ΔU_d = I_а (nr_a + R_т) - внутреннее падение напряжения в вентилях I_а nr_а и омическое падение напряжения в обмотках трансформатора I_а R_т.

Внутреннее падение напряжения ΔU_а = I_а nr_a в одном плече выпрямителя, содержащего n последовательно соединенных вентилей, практически не зависит от тока I_а.n принимается равным прямому падению напряжения ΔU_{а. н} при токеI_а. _н,т. е. ΔU_а = nΔU_{a. н}.

Результирующее активное сопротивление первичной и вторичной обмоток трансформатора, приведенное к виткам вторичной обмотки, Ом:

R_T = r₂ + r₁ω₂/ω₁ = r_к/k²_тр. (31)

Сопротивление определяется по данным опыта короткого замыкания трансформатора:

r_к =
ΔP_к_.з
,

m_тр I²₁_н

где Δ Р_к. _з — потери короткого замыкания, Вт; I_1н — номинальный ток первичной обмотки, А.

Учет параметров вентилей и трансформатора производят при расчете выпрямителей малой мощности, необходимое значение напряжения U_2ф которых вычисляется по формуле

U₂_ф = k_сх (U_d_н + ΔU_d) , (32)

где U_dн — заданное значение напряжения на выходе выпрямителя при номинальном токе; k_cx - коэффициент схемы выпрямления, равный отношению U₂_ф/U_d0, который определяется из табл. 3.

S₁ = I₁ U₁ = 1,11	1	I_d ۰ 1,11 k_т_р U_d0 = 1,23 P_d
	k_тр

S_тр =	S1 + S2	=	1,23 + 1,74	P_d = 1,48 P_d	(13)
	2		2

I₁ =	1	√I²₂ - I_a²	≈	1	0,47 I_d	(22)
	k_тр			k_тр

S_тр =	S₁ + S₂	=	3U₁_фI₁ + 3U₂_фI₂	= 1,35 P_d	(23)
	2		2

q =	U _макс	=	2	=	2	= 0,057	(24)
	U_d0		m² - 1		6² - 1