Неуправляемые трёхфазные схемы выпрямления

Трёхфазный выпрямитель – это устройство, преобразующее энергию трёхфазной сети переменного тока в энергию постоянного тока.

Рассмотрение темы трёхфазных выпрямителей является одной из обязательных при изучении дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Для изучения этой темы рекомендуется ознакомиться с темами о выпрямительных устройствах, трансформаторах и диодах, и только потом приступать к изучению этой темы.

Схема трехфазного выпрямления имеют более лучшую характеристику выпрямленного переменного тока – коэффициент пульсаций выходного напряжения по сравнению со схемами однофазных выпрямителей. Это достигается за счёт того, что синусоиды ЭДС трёхфазного трансформатора накладываются друг на друга, а после выпрямления напряжения, они не складываются, а происходит выделение максимальных амплитуд всех трёх фаз вторичной обмотки трансформатора.

В статье рассмотрим несколько трёхфазных неуправляемых выпрямителей, которые студенты обязаны знать, а также их схемы и принципы действия.

Трёхфазная однотактная схема выпрямления

Трёхфазная однотактная схема выпрямления также называется трёхфазный нулевой выпрямитель или с нулевым выводом. В некоторой литературе можно встретить название «схема В.Ф. Миткевича», названная в честь её изобретателя советского учёного электротехника в 1901 году.

Выпрямленное напряжение на выходе всегда равно напряжению той фазы, при которой открыт диод. Из этого следует, что напряжение на выходе выпрямителя равно огибающей синусоид ЭДС на выходе трёхфазного трансформатора. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжение равен 0,25, в то время, когда у двухполупериодного и мостового выпрямителя он равен 0,67. В свою очередь, пульсаций в этого выпрямителя равна в три раза больше питающей сети. Основной недостаток схемы заключается в вынужденном намагничивании сердечника трансформатора. Трёхфазная однотактная схема выпрямления и диаграммы, поясняющие её работу изображены на рисунке 1.

Первичная обмотка может быть выполнена либо по схеме треугольник, либо как в данном случае, по схеме звезда. Концы свободных фаз вторичной обмотки подключаются к анодам диодов, катоды объединяются в общую точку, образуя тем самым положительный полюс выпрямления, и подключаются к нулевому выводу вторичной обмотки трансформатора. Возможен другой вариант подключения. Свободные концы фаз вторичной обмотки трансформатора подключаются к катодам диодов, а аноды объединяются в общую точку, образуя отрицательный полюс выпрямления и затем подключаются к нулевому выводу трансформатора.

Трёхфазная однотактная схема выпрямления

Рисунок 1 – Трёхфазная однотактная схема выпрямления (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Более подробно рассмотрим принцип действия первого подключения. Напряжение на выходе выпрямителя зависит от максимального значения ЭДС фазы относительно нейтральной точки, при которой открыт диод. Рассмотрим период времени от ωt1 до ωt2, максимальное положительное значение ЭДС будет у обмотки e2a (рисунок 1б), следовательно, будет открыт диод VD1 и в цепи вторичной обмотки будет протекать ток i2a, с обмотки e2a, через диод VD1, нагрузку Rн и на нулевой вывод вторичной обмотки.

В следующий период времени от ωt2 до ωt3. Максимальное значение ЭДС изменится на e2b (рисунок 1б), откроется диод VD1, и ток i2b будет замыкаться по следующей цепи: вторичная обмотка трансформатора e2b, диод VD2, нагрузку Rн и на нулевой вывод вторичной обмотки. В момент времени от ωt3 до ωt4 процесс аналогичен двум предыдущим момента времени.

Из всего выше перечисленного, можно сделать вывод, что выходное напряжение будет равняться огибающей максимальных положительных пиков ЭДС фаз вторичной обмотки трансформатора (смотри нижнюю диаграмму рисунка 1б).

Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Второй наиболее важной схемой, которая применяется во многих устройствах связи, питающихся от трёхфазной сети является трёхфазная мостовая схема выпрямления также называется схемой Ларионова или трёхфазный выпрямитель Ларионова. Названа в честь учёного электротехника Андрея Николаевича Ларионова, который впервые предложил эту схему.

В литературе выделяют две разновидности схем Ларионова в зависимости от схемы включения вторичных обмоток трансформатора – звезда или треугольник. Несмотря на одинаковую трёхфазный мостовой диодный блок, из-за разных соединений вторичных обмоток, выпрямители будут отличаться средним выпрямленным напряжением, эквивалентным внутренним сопротивлением, потерей в меди, а также совершенно разным принципом работы. На практике часто применяется схема со звездообразным включением вторичной обмотки трансформатора (Рисунок 2). Коэффициент пульсаций для этой схемы будет 0,057.

Рассмотрим диодный блок схемы, который состоит из двух групп диодов. Верхняя группа диодов VD1, VD3, VD5 объединённая катодами образует положительный полюс относительно нулевой точки. Нижняя группа диодов VD2, VD4, VD6 объединённая анодами, образует отрицательный полюс. В связи с тем, что нагрузка подключается к выводам этих диодных групп, здесь не требуется вывод нейтрали трансформатора. Если рассмотреть схему повнимательней, то можно увидеть, что она состоит из двух трёхфазных однотактных выпрямителей. Первый состоит из трансформатора и первой группы диодов (VD1, VD3, VD5) и имеет напряжение на выходе u01’. Второй выпрямитель выполнен на том же трансформаторе и второй группе диодов (VD2, VD4, VD6), на выходе которого будет напряжение u01’’. Выходное напряжение u01 трёхфазного мостового выпрямителя будет равно сумме напряжений u01’ и u01’’.

Схема трехфазного мостового выпрямителя

Рисунок 2 – Схема трехфазного мостового выпрямителя (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия «идеальной» схемы. В каждый момент времени, в каждой группе диодов может работать только один диод, причём в катодной группе работает тот диод, который подключен к фазе, имеющей наибольшее положительное значение ЭДС. В анодной группе, работает диод, который подключен к фазе, имеющей наибольшее отрицательное значение ЭДС.

Рассмотрим момент времени от ωt1 до ωt2. На этом временном интервале, наибольшее положительное значение ЭДС будет на фазе e2a, следовательно в катодной группе будет открыт диод VD1. В анодной группе будет открыт диод VD4, так как наибольшее отрицательное значение будет на фазе e2b. Отсюда следует, что ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e2a, точка «A», диод VD1, нагрузка Rн, диод VD4, точка «B» и в фазу e2b.

Для большей ясности рассмотрим следующий промежуток времени от ωt2 до ωt3. В Катодной группе до сих пор будет открыт диод VD1, так как фаза e2a имеет наибольшее положительное значение ЭДС в данный момент времени. В анодной группе будет работать диод VD6, так как теперь в этом мент времени максимальная отрицательная ЭДС будет на фазе e. Следовательно, ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e2a, точка «A», диод VD1, нагрузка Rн, диод VD4, точка «C» и в фазу e2c.

Трёхфазной мостовой схеме выпрямления, в отличие от однотактной схемы более высокая частота первой гармоники пульсаций, меньшее значение коэффициента пульсаций, меньшая габаритная мощность трансформатора, более высокий коэффициент мощности, и минимум в два раза меньшее обратное напряжение на диодах.

Из недостатков стоит отметить, что по сравнению с однотактной схемой, в мостовой схеме в диодном блоке больше потерь на диодах, так как в каждый момент времени, одновременно работают два диода. Поэтому данную схему нецелесообразно применять при напряжениях в единицы вольт и при низкочастотных технологиях построения схем.

Трёхфазные каскадные схемы выпрямления

В электроустановках предприятий связи так же как и предыдущие две схемы распространены и каскадные или комбинированные схемы выпрямления трёхфазного напряжения. Применение подобных схем обеспечивает более высокую частоту первой гармоники пульсаций, что позволяет уменьшить каскады сглаживающих фильтров.

Каскадные схемы представляют собой комбинацию нескольких классических трёхфазных схем выпрямления, которые включаются между собой относительно выхода последовательно или параллельно и работают на одну нагрузку. Стоит отметить, что диаграммы выходных напряжений сдвинуты относительно друг друга по фазе.

Для изучения принципа действия каскадных схем для примера возьмём схему Кюблера (Рисунок 3). По схеме видно, что она состоит из двух трёхфазных однотактных выпрямителей. Напряжения u01’ и u01’’ этих схем будут иметь сдвиг относительно друг друга на 2π/6. Для обеспечения этого сдвига, требуется использовать соединение вторичных обмоток трансформатора по схеме звезда с выводом нейтрали, Обмотки верхнего выпрямителя объединяются концами, а второго началами, нейтрали обоих выпрямителей соединяются между собой и образуют отрицательный полюс выходного напряжения выпрямителя. На диаграммах рисунка 3б изображены диаграммы напряжений u01’ (e2a, e2b, e2c) первого выпрямителя сплошной линией, второго u01’’ (e2x, e2y, e2z) пунктирной.

Чтобы обеспечить одновременную работу двух фаз, которые принадлежат различным выпрямителям, общая точка соединения катодов этих выпрямителей подключаются к уравнительному реактору Lур, а средняя точка этого реактора подключается к нагрузке Rн.

Трёхфазная каскадная схема выпрямления

Рисунок 3 – Трёхфазная каскадная схема выпрямления (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия этой схемы. На интервале времени ωt1 до ωt2 наибольшее положительное значение ЭДС верхнего выпрямителя будет на фазе e2a, следовательно будет открыт диод VDa и ток начнёт протекать в верхнюю обмотку W дросселя. В нижнем выпрямителе максимальной положительной ЭДС будет e2z, значит ток с этой обмотки будет протекать через диод VDz в нижнюю обмотку W’ дросселя. В этот момент времени напряжение на нагрузке будет равно u01=(e2a+e2z)/2.

На следующем интервале времени от ωt2 до ωt3 в верхнем выпрямителе до сих пор будет максимальное положительное значение ЭДС на фазе e2a, у нижнего выпрямителя максимальное положительное значение ЭДС изменится, и теперь ток будет протекать с фазы e2x и через диод VDx в нижнюю обмотку W’ дросселя. На следующих интервалах времени будут работать фазы e2b и e2x, затем e2b и e2y и так далее.

Главным достоинством схемы над трёхфазной мостовой это то, что потери на диодах намного меньше, но уступает по габаритной мощности трансформатора и обратном напряжении на диодах. Помимо всего прочего, дополнительно требуется дроссель в качестве уравнительно реактора.

Схема применяется при низких выходных напряжениях примерно до нескольких десятков вольт и при больших токах нагрузки в районе ста ампер.

P.S. Статья со временем будет обновляться. На данный момент в ней рассмотрены только принципы работы схем, в недалёком будущем планируется добавить расчётные формулы и параметры схем. Для более глубокого изучения выпрямительных устройств воспользуйтесь соответствующей литературой.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *