Трехфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой

Электрическая схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом (рис. 2.1) представляет собой сочетание двух однофазных нулевых схем (см. рис. 1.1). Нагрузка выпрямителя подключена между нулевой (средней) точкой вторичной обмотки трансформатора и катодами диодов VD1 – VD3, образующих катодную группу. Можно образовать анодную группу, присоединив катоды ко вторичной об­мотке.

Для анализа электромагнитных процессов и вывода основных соотношений сна­чала предположим, что нагрузка выпрямителя активная, ключ К замкнут (рис. 2.1, а). В дан­ный момент времени ток проводит диод, положительный потенциал которого на аноде по отношению к средней точке трансформатора выше, чем на остальных диодах.

Так, в момент времени θ = θ₁ ток начинает проводить диод VD1, присоединенный к фазе а. Через время, соответствующее углу 2π/3 (θ = θ₂), потенциал на аноде диода VD2 (u

b) становится выше, чем на аноде VD1. В связи с этим VD1 запирается, а VD2 открыва­ется. Происходит коммутация тока нагрузки (i_d) с диода VD1 на VD2. В точке 3 (рис. 2.1, в) u_c> u_b, диод VD2 запирается, VD3 начинает проводить ток и т.д.

Таким об­разом, ес­тественная коммутация тока нагрузки с диода на диод происходит в точках пересече­ния синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 (см. рис. 2.1, в) называются точками естест­венного зажигания (коммутации) диодов. Выпрямленное напряжение u_d пред­ставляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис. 2.1, г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока i

d повторяет по форме кривую напряжения u_d.

Частота пульсаций  u_d, i_d в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3), так как каждый диод проводит ток в течение 1/3 периода подводимого напряжения (рис. 2.1, д).

В не­проводящую часть периода к диоду прикладывается обратное напряжение (рис. 2.1, е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих диодов. Напри­мер, когда проводит диод VD2, к диоду VD1 приложено линейное напряжение u_{ab= ua – ub. В момент включения VD3 подается напряжение uac= ua – uc. Соответствующие напряже­ния (см. рис. 2.1,}

в) заштрихованы.

Форма первичного тока i₁, построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды (рис. 2.1, ж).

Выведем общие выражения, характеризующие количественные соотношения в трехфазных выпрямителях. За начало отсчета примем момент прохождения напряже­ния фазы а (рис. 2.1 в) максимального значения. Тогда среднее значение выпрямлен­ного напряжения равно:

                      (2.1)

где  

Пределы интегрирования соответствуют времени про­водя­щего состояния диода. Для рассматриваемой схемы (рис. 2.1  а) m = 3; тогда:

Среднее значение выпрямленного тока (нагрузка активная)

,                                                     (2.2)

при m = 3        I_d = 1,17 I_2ф.

Коэффициент пульсаций для ν-й гармоники равен:

                                                        (2.3)

а частота пульсаций равна:

                                                                        (2.4)

Для выбора диодов необходимо знать максимальное значение обратного напря­жения на диоде (U_{обр м}):

,                                      (2.5)

при m = 3                   U_обр.м = 2,45 U_2ф

= 2,09U_d.

Средний ток через диод равен:

I_{в ср} = I_{d/ m.                                                         (2.6)}

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора нахо­дится из выражения (2.1):

,                                                  (2.7)

при m = 3                   U_2ф = 0,855U_d.

При учете актив
ных сопротивлений обмоток трансфор­матора (r_a) и диодов в прямом направлении (r_пр) напряжение U_2ф будет равно:

,

где  – условный коэффициент полезного действия (КПД) анодной цепи.

При работе на реальную нагрузку (см. рис. 2.1,

а, ключ К разомкнут) изменяются формы токов (становятся прямоугольными) в диоде, нагрузке и в обмотках трансфор­матора (см. рис. 2.1, г, д, ж, штриховые линии). Для расчета элементов схемы необходимо полу­ченные уравнения дополнить соотношениями для токов вторичной и первичной обмоток трансформатора:

                                            (2.8)

Параметры трехфазной нулевой выпрямительной схемы приведены в таблице 1.1.

При прохождении тока через диод и вторичную обмотку трансформатора (см. рис. 2.1, а) создаются вынужденные потоки подмагничивания сердечника трансформатора. Эти потоки составляют 20 – 25 % от основного магнитного потока трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынуж­денного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и со­единяют способом «зигзаг» (рис. 2.1, б). Кривые первичного тока для этого случая по­казаны на рис. 2.1, з при соединении первичной обмотки в звезду.

В каждом стержне постоянные составляющие намагничивающих сил полуобмо­ток направлены встречно и взаимно компенсируются. Однако это приводит к худшему использованию вторичных обмоток, так как суммарная ЭДС двух полуобмоток, рас­положенных на разных стержнях, меньше в  суммы ЭДС полуобмоток, находя­щихся на одном стержне. В результате ухудшается использование меди вторичных по­луобмоток, увеличиваются расчетная и типовая мощности трансформатора (см. таб­

лица 1.1). Это послужило причиной сравнительно редкого применения трехфазной нуле­вой схемы в цепях управления электрическими машинами средней и большей мощно­сти. Она используется чаще всего в качестве составной части более сложных схем вы­прям­ления, например, в схеме двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реакто­ром (в схеме Кюблера), трехфазной мостовой схеме и т.д.

Кольцевая трехфазная схема выпрямления

Для ее реализации трансформатор выпрямителя должен иметь две одинаковых группы вторичных обмоток, соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.

Работа схемы:

В этой схеме при переключении вентиля переключается и одна из двух обмоток в цепи выпрямления. Причем каждая обмотка одной группы в течении трети периода работает поочередно с двумя обмотками другой группы. Переключение вентилей аналогично изложенному выше.

Выпрямленное напряжение (равное разности напряжения двух фаз) получается также как и в мостовой схеме с пульсацией в 1/6 периода. Поскольку в цепи выпрямления один вентиль, а не два, постольку потери на выпрямлении в 2 раза меньше, чем в предыдущей схеме.

Поэтому такая схема применяется при низких напряжениях нагрузки (сварка плавящимся электродом в защитных газах, где минимальное Uраб=15 В).

В отличие от предыдущей схемы каждый вентиль в открытом состоянии работает 1/6 периода, а не 1/3 периода. Поэтому такая схема применяется в мощных выпрямителя (1000 А и более).

Основной недостаток этой схемы выпрямления – для нее требуется более сложный и более дорогой трансформатор, который проектируется с учетом подмагничивания постоянной составляющей тока.

Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором

Для ее реализации трансформатор выпрямителя также должен иметь две одинаковых группы вторичных обмоток, соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц. Кроме того, для обеспечения параллельной работы на нагрузку одновременно двух фаз требуется еще уравнительный реактор – симметричный дроссель.

А В С

Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором

Работа схемы:

Для каждой звезды включаются вентили с самым высоким положительным потенциалом фазы аналогично трехфазной нулевой схеме. Без уравнительного реактора получается шестифазное выпрямление с работой каждой фазы и вентиля 1/6 периода.

При наличии уравнительного реактора ток, вызываемый разностью фазного напряжения обмоток разных групп, создает падение напряжения на обмотках реактора. Это изменяющееся по величине напряжение на одной половине реактора вычитается из большего фазного напряжения, а на другой половине реактора суммируется с меньшим фазным напряжением. Такое выравнивание напряжения на нагрузке позволяет питать ее от двух обмоток трансформатора одновременно через два совместно работающих вентиля. Это позволяет создавать мощные выпрямители без параллельного включения полупроводниковых вентилей, что исключает отбор их по характеристикам при изготовлении и ремонте.

Поэтому такая схема применяется в выпрямителях большой мощности (1000 А и больше) прежде всего при питании низковольтной нагрузки .

Основной недостаток этой схемы выпрямления – для нее требуется более сложный и более дорогой трансформатор, который проектируется с учетом подмагничивания постоянной составляющей тока, а также дополнительный дроссель.

Сравнительные характеристики схем выпрямления показывают следующее:

1.Минимальный уровень пульсаций для идеальных схем 5,7% от амплитуды обеспечивают 3 схемы: трехфазная мостовая, кольцевая и с уравнительным реактором;

2.С точки зрения используемой мощности трансформатора наилучшей является мостовая схема. Она лучше, чем остальные по использованию мощности от нескольких процентов до несколько десятков процентов;

3.С точки зрения минимальных потерь при выпрямлении низковольтной нагрузки лучше схемы с уравнительным реактором являются и кольцевая.

4.С точки зрения обеспечения параллельной работы вентилей на нагрузку преимущество имеет схема с уравнительным реактором.

Сглаживающие фильтры

Бывают емкостные и индуктивные.

Емкостные фильтры наиболее целесообразно применять при большом сопротивлении нагрузки и при высоких рабочих частотах, или хотя бы одно из этих условий.

Индуктивный фильтр:

Для сварочных ИП с выпрямлением на промышленной частоте индуктивные фильтры приемлемы по габаритам, весу, стоимости. Конструктивно это дроссели с сердечником из трансформаторного железа и зазором в сердечнике для уменьшения подмагничивания постоянной составляющей выпрямленного тока.

Сварочные выпрямители регулируемые трансформатором

Падающая характеристика у сварочных выпрямителей получается различными способами. Наиболее простой состоит в том, что сварочный выпрямитель комплектуется силовым трансформатором с падающей характеристикой. По такому принципу сконструирован сварочный выпрямитель ВД-306.

В него входят силовой трансформатор с подвижными катушками или шунтом, выпрямительный блок и пускозащитная аппаратура. Грубая регулировка тока осуществляется одновременным переключением первичной и вторичной обмоток со схемы «звезда» (λ / λ) на «треугольник» (∆ / ∆). В первом случае устанавливается ступень малых токов, а во втором — больших. В пределах каждой ступени плавное регулирование тока производится изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Подробнее о работе таких трансформаторов см. в разд. 3. Выпрямительный блок собран на кремниевых диодах, которые принудительно охлаждаются вентилятором. Включение выпрямителя в работу и выключение производятся магнитным пускателем. Защитная аппаратура не позволяет включать выпрямитель, если на диоды не поступает воздушный поток, а так же если вышел из строя один из диодов или произошел пробой сетевого напряжения на корпус. Описанная пускозащитная аппаратура является традиционной для сварочных выпрямителей. Выпрямители рассмотренного типа просты в изготовлении и эксплуатации. Их недостатки — в отсутствии стабилизации режима при изменении напряжения сети и невозможности дистанционного управления.

Принципиальная схема сварочного выпрямителя ВД-306: С 1 — силовой трансформатор с падающей характеристикой. ВБ — выпрямительный блок

Сварочные выпрямители регулируемые тиристорами

Тиристорные выпрямители помимо трансформатора и блока вентилей содержат в силовой цепи фильтр-дроссель, а в системе управления датчики и электронные блоки.

Сварочные выпрямители регулируемые дросселем насыщения

Для получения падающих характеристик в сварочных выпрямителях используются также дроссели насыщения. Дроссель, представляющий собой индуктивное сопротивление, располагают между силовым трансформатором и выпрямительным блоком. Силовой трансформатор в выпрямителе имеет жесткую внешнюю характеристику. Падающая же характеристика выпрямителя обеспечивается за счет индуктивного сопротивления дросселя.

Его работа происходит следующим образом.

Изначально ток в обмотке управления задается относительно большим, чтобы его магнитный поток произвел полное насыщение железного сердечника дросселя. В таком состоянии дроссель теряет свои свойства индуктивного сопротивления и падающую характеристику источнику питания не создает.

Конструкция выпрямителей с регулируемым выходным напряжением предусматривает наличие дросселя насыщения. Однако в данном случае дроссель работает не в режиме компенсации намагничивающих сил, а в режиме подмагничивания. При этом силовая и обмотка управления включены согласно, т.е. магнитные потоки их складываются, увеличивая суммарный магнитный поток дросселя. В исходном состоянии (J_св) дроссель незначительно подмагничивается током обмотки управления J_св и сохраняет свойства индуктивного сопротивления. При протекании сварочного тока дроссель оказывает ему сопротивление и создает падающий участок внешней характеристики. Но по мере роста сварочного тока его магнитный поток все более и более усиливает исходный магнитный поток, создаваемый обмоткой управления. И вот в некоторый момент наступает полное насыщение дросселя, и он теряет свойства индуктивного сопротивления. Внешняя характеристика становится жесткой. По такой схеме были собраны выпрямители ВДГ-301, ВДГ-302, ВДГ-303. Первичные обмотки трансформатора в этих выпрямителях секционированы, что позволяет получать три ступени регулирования. Плавное регулирование выходного напряжения внутри каждой ступени производится за счет дросселя. Причем настроить дроссель на нужное выходное напряжение можно только в процессе работы, когда начинает протекать сварочный ток При холостом ходе вольтметр будет показывать одно и то же значение выходного напряжения, независимо от величины тока в обмотке управления J_у.

2.1.2. Однофазная схема выпрямления с нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора

Рассмотрим режим работы этой схемы, когда X_d = . Схема такого выпрямителя представлена на рис. 2.3 . Временные диаграммы представлены на рис. 2.4.

Рис.2.3. Контур тока короткого замыкания в

коммутационном периоде

Среднее значение выпрямленного напряжения

(2.10)

Отличие во временных диаграммах по сравнению с диаграммами неуправляемого выпрямителя заключается в том, что коммутация тока происходит здесь не при начальных значениях фазовых ЭДС а при больших значениях, соответствующих углу управления . Это ускоряет коммутацию, в связи с чем угол коммутацииполучается меньше (рис. 2.4 ,а., б.,).

Рис. 2.4. Работа однофазного управляемого двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой

Аналитическую зависимость для угла коммутации можно найти так же, как и для неуправляемого выпрямителя. Принужденная составляющая , определяемая по (1.93) и построенная пунктиром на рис. 2.5, г. остается такой же Свободная составляющая тока имеет, в связи со сдвигом начала коммутации на угол , значение отличающееся от (1.97) на cos  . (2.11) Участок, определяющий ток коммутации, сдвигается в этом случае по косинусоиде на угол вправо от отрицательного максимума (ордината равна ) Теперь, если от точки, определяемой ординатой, провести линию, равную по величинеId , то получим время коммутации, равное углу . Участок косинусоиды , обведенный жирной линией, определяет характер перехода тока с вентиляVS1 на вентиль VS2 . . (2.12) Подставляя в (2.12) угол t = и ток Id вместо , мы находим, что

, (2.13)

откуда .

Уравнение (2.13) определяет исходную связь между током нагрузки Id и углом коммутации .

Падение напряжения за счет коммутации

(2.14)

При подстановке из уравнения (2.13) величины в уравнение (2.14) получим зависимостьот

(2.15)

аналогичную для неуправляемого выпрямителя.

Отсюда следует, что внешние характеристики управляемого выпрямителя (рис. 2.5, а.) имеют такой же наклон, как и у неуправляемого. Каждому углу управления отвечает здесь своя внешняя характеристика.

Рис. 2.5. Режим коммутации и регулировочные характеристики однофазной

нулевой схемы выпрямления

Одной из важнейших особенностей управляемых выпрямителей является способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ud при изменении угла  (рис. 2.5, д). При =0 кривая выходного напряжения Ud соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжение максимально.

Углу управления    отвечает напряжение иUd =0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла  от 0 до 180 (электрических градусов) осуществляет регулирование напряжения Ud в пределах от максимального значения до нуля.

Зависимость напряжения Ud от угла управления называют регулировочной характеристикой. Это напряжение на интервале    соответствует выражению

.

Умножив и разделив это выражение на 2, получим

.

До угла управления 60 индуктивность X_d мало влияет на характер регулировочной характеристики. Затем с увеличением X_d до бесконечности предельный угол управления уменьшается с 180º до 90º.

Изменение напряжения в вентиле (анод-катод) при Х_d=показывает криваяU_ak 2.5, в. Она построена по разности ординат синусоиды .

Максимальное значение прямого напряжения

. (2.16)

Начальный скачек обратного напряжения

. (2.17)

Фазовый сдвиг при X_d =  между ибудет определяться фазой междуи первой гармоникой тока

. (2.18)

Так как угол является отстающим, то выпрямитель нагружает сеть такой же по знаку реактивной мощностью индуктивного характера.

Методические указания

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ

ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

С НУЛЕВЫМ ОТВОДОМ

к выполнению лабораторной работы

по курсу

«Физические основы электроники»

для студентов специальности

направления

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Саратов – 2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составители: Фурсаев Михаил Александрович,

Артюхов Иван Иванович

Под редакцией М.А.Фурсаева

Рецензент В.И.Беляев

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Научно-техническая

библиотека СГТУ

тел.: 52-63-81, 52-56-01

http://lib.sstu.ru

Регистрационный

номер 060464Э

© Саратовский государственный

технический университет, 2006

Цель работы: изучить принцип работы и провести эксперимен­тальное исследование однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторичной обмотки трансформатора при активной нагрузке, а также с емкостным и активно-емкостным фильтрами.

Основные понятия Принцип работы выпрямителя с нулевым отводом

Схема однофазного выпрямителя с нулевым отводом от вторич­ной обмотки трансформатора представлена на рис.1. В ее состав входят силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками, с ко­торых снимаются напряжения, одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе на 180° относительно нулевой точки, а также два диода Д₁ и Д₂, обладающие свойством односторонней проводимости.

Рис. 1

Принцип работы выпрямителя целесообразно рассматривать для случая активной нагрузки R_H с использованием временных диаграмм напряжений и токов, которые приведены на рис.2.

На рис. 2,а,б представлены временные зависимости напряжения u₁ поступающего на первичную обмотку трансформатора, и напряже­ний u_2-1 и u_2-2, снимаемых с вторичных обмоток.

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме, когда входное напряжение и₁ имеет положительную и отрицательную полярности (интервалы фаз 0 ÷ исоответственно). Полярность напря­жений на обмотках трансформатора на рис.1 указана без скобок для интервала фаз 0 ÷и в скобках для интервала фаз.

Рис.2

В интервале фаз 0 ÷ на анод диода Д₁ подается положитель­ное напряжение, а на анод диода Д₂ — отрицательное напряжение. Поэтому диод Д₁ находится в открытом состоянии, а диод Д₂ — в закрытом состоянии. Через верхнюю обмотку трансформатора, диод Д₁ и нагрузку R_H протекает ток. В нагрузке создается напряжение, временная зависимость которого при пренебрежении индуктивностью вторичной обмотки трансформатора совпадает с временной зависи­мостью напряжения u_2-1, что иллюстрируется положительной полу­волной на рис.2,в.

В интервале фаз в открытом состоянии находится диод Д_2, а в закрытом — диод Д₁. Ток протекает через нижнюю обмотку трансформатора, диод Д₂ и нагрузку R_H. При этом направление тока в нагрузке будет таким же, как и в интервале фаз 0 ÷ . Поэтому напряжение на нагрузке также имеет положительную полярность (см. рис.2, в).

Ток i_d, протекающий через нагрузку (рис. 2, г), определяется по формуле

. (1)

Как видно из рис.2,в,г выпрямленные напряжение и ток имеют пульсирующий характер. Разложение периодических функций u_d() иi_d() в ряд Фурье позволяет выделить постоянную и гармонические составляющие напряжения и тока. Для потребителей выпрямленного напряжения важной является постоянная составляющая, которую мож­но определить как среднее значение напряженияu_d(). Поскольку период выпрямленного напряжения соответствует интервалу фаз, внутри которого напряжение изменяется как функция синуса, можно записать

, (2)

где U₂ — действующее значение напряжения, снимаемого с одной из вторичных обмоток трансформатора. При этом пренебрегается поте­рями в открытом диоде и вторичной обмотке трансформатора. В этом случае амплитудное значение напряжения на нагрузке совпадает с амплитудой напряжения на вторичной обмотке

. (3)

Аналогичные соотношения могут быть записаны для выпрямлен­ного тока

. (4)

. (5)

Средние значения выпрямленных напряжений и тока на рис.2,в,г отмечены горизонтальными прямыми. Амплитуды переменных составляющих (или гармоник) напряжений могут быть определены из соотношения

, (6)

где υ — номер гармоники, a m — число периодов выпрямленного нап­ряжения на периоде входного напряжения. Как видно из сравнения рис.2,а,в для рассматриваемой схемы выпрямителя m =2.

Качество выпрямленного напряжения оценивается параметром, называемым коэффициентом пульсаций q, который определяется как отношение амплитуды υ-й гармоники к среднему значению напряже­ния U_d. Наибольшая амплитуда соответствует первой гармонике, для которой

. (7)

Величина параметра m одновременно указывает на то, во сколько раз увеличивается частота первой гармоники выпрямленного напряжения относительно частоты питающей сети. Так при частоте питающей сети f_c=50 Гц частота первой гармоники выпрямленного напряжения составляет 100 Гц. Коэффициент пульсаций для этой гармоники согласно соотношению (7) равен q= 0,67.

В рассматриваемой схеме диоды находятся в открытом и закры­том состояниях попеременно. Когда через открытый диод протекает ток, падение напряжения на нем практически равно нулю. К закры­тому диоду приложено обратное напряжение, величина которого из­меняется по синусоиде. Все это иллюстрируется графиками, приве­денными на рис.2,д — ж.

Поскольку через каждый диод ток протекает в течение одного полупериода питающего напряжения, величина среднего тока диода вдвое меньше среднего тока нагрузки

. (8)

Амплитудные значения токов в диодах и в нагрузке одинаковы.

К закрытому диоду прикладывается удвоенная величина напря­жения, снимаемого с каждой части вторичной обмотки трансформато­ра. Поэтому максимальная величина обратного напряжения, которую должен выдерживать диод,

. (9)

Соотношения (8) и (9) используются при выборе типа диода, который может быть применен в выпрямителе, обеспечивающем задан­ные значения выпрямленных напряжений и токов.

1.2. Основные схемы выпрямления Однофазная, однополупериодная схема

Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризу­ется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б. Индуктивностью рассеяния трансформатора пренебрегаем, как это обычно допускается в выпрямителях малой мощности [2].

а) б)

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и

диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Под действием ЭДС вторичной обмотки ток в цепи нагрузкиможет проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает токв первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжениев любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлениемr). Максимальное обратное напряжение на вентиле , как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки.

Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую , которая в первичную обмоткуне трансформируется. В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом [2].

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

а) б)

Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD₁ и VD₂. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w₂₁ и w₂₂ находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD₁ и VD₂ проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₁ и ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмоткуw₂₁ трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₂, ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмоткуw₂₂ трансформатора, причем в цепи нагрузки ток проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток ив сердечнике трансформаторанет вынужденного подмагничивания [2].

Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой [3].

Выходное напряжение снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

,

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку

Поскольку ток протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит

,

Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то

Величина при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

; ;;

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой

Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

3ф выпрямители

ТРЕХФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ВЫВОДОМ ОТ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ ТРАНСФОРМАТОРА

Рассмотрим такую схему с соединением вторич­ных обмоток трансформатора в звезду (рис. 1, а). При =0 она ра­ботает как неуправляемый выпрямитель. Каждый вентиль работает 1/3 периода, когда в обмотке, к которой он подключен, имеет место наивысшее напряжение (другие вентили в этот момент заперты, так как находятся под обратным напряжением). Переход тока от вентиля к вентилю осуществляется в момент пересечения кривых фазных на­пряжений, выпрямленный ток протекает через нагрузку постоянно (пульсирующий).

Рис. 1. Трехфазный УВ с выводом от сред­ней точки трансформатора (а) и с соедине­нием обмоток в зигзаг (б)

При работа схемы в большей степени зависит от характера нагрузки. Диаграммы напряжений и токов при чисто активной нагруз­ке для разных углов регулирования приведены на рис. 2. При процесс отпирания очередного тиристора (например, VD1, включенного в фазу а) происходит до того момента, когда напряжение в предыдущей фазе с еще не снизилось до нуля. В результате ранее работавший тиристор VD3 закроется, так как напряжение в фазе с меньше, чем в фазе а, ток нагрузки перейдет из фазы с в фазу а, но до нулевого значения не упадет, т. е. останется непрерывным. Критичес­кая точка — .

При изменении в этих пределах регулировочная характеристика описывает­ся уравнением

,

где .

Рис. 2. Диаграммы работы трехфазного нулевого УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

При сигнал на от­крытие очередного тиристо­ра подается после того, как естественным образом за­кроется предыдущий, т. е. в кривой выпрямленного тока появляются паузы, где I_d=0. Длительность прохождения тока через каждый вентиль ста­новится меньше трети периода. В этом случае регулировочная характеристика будет описываться уравнением

,

предельный угол регулирования на активную нагрузку составляет 150°.

При соединении вторичных обмоток в звезду в каждой из них ток протекает только в одном направлении. В сердечниках трансформато­ра возникает явление подмагничивания постоянной составляющей вторичного тока (потоки вынужденного подмагничивания). Это может привести к насыщению магнитопровода, увеличению намагничивающе­го тока и появлению дополнительных нелинейностей в кривой тока нагрузки. Для устранения этого явления приходится либо увеличи­вать сечение магнитопровода, либо включать первичную обмотку в треугольник (при этом увеличивается ток в ней), либо использовать соединение вторичной обмотки в зигзаг (рис. 1, б).

При таком включении токи по секциям каждой обмотки протекают в разных направлениях, в результате среднее значение постоянной составляющей тока в каждой обмотке будет равно нулю. Но вторичное напряжение уменьшится, так как две полуобмотки будут включены не последовательно, а под углом 120°:

.

Для получения ранее запланированной мощности трансформатора его габариты должны быть больше на 13% или .

При работе на индуктивную нагрузку (рис. 3) каждый вентиль работает 1/3 периода, ток в нагрузке непрерывный. В кривой выпрям­ленного напряжения U_d при появляются участки отрицатель­ного напряжения, поэтому среднее его значение уменьшается: и .

Обратное напряжение на вентиле может быть определено графи­чески. Например, для вентиля VD1 (фаза а) оно определяется из рис. 3 как разность между кривой U_d, формируемой участками синусоид U_b и U_c, и обратным напряжением U_a. Его максимальное зна­чение . Прямое напряжение на вен­тиле .

При активной нагрузке и для формула та же, для .

Основные достоинства этой схемы — минимальное количество силовых элементов (тиристоров) и самая простая структура системы управления (СУ). СУ может подключаться между управляющими электродами тиристоров и их общим катодом и должна обеспечивать одиночные управляющие сигналы. Несмотря на необходимость применения силового трансфор­матора с определенными свойствами, такие трехфазные УВ получили широкое распространение.

Рис. 3. Диаграмма работы трехфазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

ТРЕХФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Такие УВ наи­более широко распространены в области средних и больших мощнос­тей, что связано с их высокими энергетическими и эксплуатацион­ными характеристиками. Вентили схемы (рис. 4) образуют две группы: катодную (VD1, VD3, VD5) и анод­ную, и нагрузка оказывается подключенной к двум фазам вторичной обмотки трансфор­матора. Можно также считать, что нагрузка получает питание от двух последовательно включенных нулевых трехфазных схем вы­прямления.

Особенностью схемы управления таким УВ является то, что она должна обеспечивать подачу сигналов управления при включении схемы, причем в некоторых случаях — одно­временно на два тиристора из разных групп. При работа УВ на активную и индуктив­ную нагрузку одинакова и полностью совпа­дает с режимом неуправляемого выпрямите­ля; при имеют место различия.

На рис. 5 показаны диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную на­грузку при = 30, 60 и 90°. Как видно из диаграмм, при кривые U_d и i_d непре­рывны (угол отсчитывается от точки пересечения фазных напряжений). По мере увеличения значения U_d уменьшаются по закону

,

где .

Рис. 4. Трехфазный мостовой УВ

Рис. 5. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ на активную нагрузку при различных углах регулирования

Угол является критическим и при дальнейшем его увеличе­нии в кривых U_d и i_d появляются паузы, т. е. наступает режим работы УВ с прерывистым выпрямленным током (при активной нагрузке!). Для обеспечения этого режима на управляющие электроды тиристоров следует подавать либо сдвоенные импульсы с интервалом 60°, либо удлиненные шириной не менее 60° (показано на диаграмме для ). Например, для того чтобы открыть тиристор VD1 в момент t₁ и обеспе­чить цепь тока, необходимо подать такой же сигнал на VD6. После того как разность мгновенных напряжений U_2a и U_2b станет равной нулю (t₂), оба тиристора закроются, а в момент времени t₃ должен вступить в работу VD2, который откроется только при наличии повторного уп­равляющего сигнала на VD1 или при длительности его более 60°.

Для режима прерывистых токов

.

При работе трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку режим работы существенно изменяется (рис. 6). Так, ток в нагрузке остается (при данном ) неизменным, каждый тиристор работает 1/3 пе­риода, но переход тока с одного тиристора на другой происходит не в момент равенства фазных напряжений, а со сдвигом на угол . Токи во вторичных, а следовательно, и в первичных обмотках представляют собой прямоугольные импульсы длительностью 1/3 периода одного и столько же другого направления. Сигналы управления подаются на тиристоры в соответствии с графиком 6, б, но при запуске схемы необходимо выполнить условие одновременной подачи сигнала на оба тиристора. С увеличением уменьшаются средние значения U_d и I_d, но при переход U_d с кривой одного линейного напряжения на кри­вую другого происходит в пределах положительной полярности участ­ков этих линейных напряжений, поэтому кривые U_d и его среднее значение одинаковы при активной и индуктивной нагрузках.

Рис. 6. Диаграмма работы трехфазного мостового УВ на индуктивную нагрузку

При в кривой U_d (на рис. 7, показаны кривые линейных напряжений, так как именно они формируют напряжение на нагрузке) появляются участки с отрицательным напряжением, происходит более интенсивное снижение U_d. При эти площадки равны между собой и U_d=0. Поэтому для индуктивной нагрузки , а регулировочная характеристика трехфазной мостовой схемы имеет вид, показанный на рис. 8 (кривая а).

Рис. 7. Диаграммы работы трехфазного мостового УВ при различных углах регулирования

Рис. 8. Регулировочные ха­рактеристики трехфазного УВ

На диаграмме (рис. 6, г) показан график изменения прямого и обратного напряжения на одном из вентилей. Эти напряжения не мо­гут превышать , т.е. определяются линейным напряжением вторичной обмотки трансформатора. Следует отметить, что в принципе данная схема может применяться без специального трансформатора, получая питание непосредственно от сети.

При работа схемы возможна, но уже в инверторном режиме, когда происходит преобразование энергии источника постоянного тока, включенного вместо нагрузки, в энергию переменного тока, отдаваемую в питающую сеть.

В некоторых случаях целесообразно применение трехфазного мос­тового УВ с неполным количеством управляемых вентилей, например, если в схеме на рис. 4 VD1, VD3, VD5 — тиристоры, a VD2, VD4 и VD6 — обычные диоды. Такая схема может рассматриваться как по­следовательное включение трехфазных нулевых управляемого и не­управляемого выпрямителей. При работе на активную нагрузку при имеет место режим непрерывного тока, при — прерывис­того; регулировочная характеристика описывается уравнением

.

Кратность пульсации выпрямленного напряжения равна 3, что требует или при­менения более мощных фильтров, или ог­раничения угла ; по сравнению с пол­ностью управляемым выпрямителем воз­растает третья гармоника в кривой U_d.

При индуктивной нагрузке для данно­го I_d=const, регулировочная характе­ристика имеет тот же вид, но при катодная группа вентилей переходит в инверторный режим. В несимметричной схе­ме ухудшается коэффициент нелинейных искажений k_н.и, но несколько улучшает­ся .

Диаграммы работы такой схемы для = 30, 60 и 90° приведены на рис. 9.

Рис. 9 Диаграмма работы трехфазного мостового УВ с неполным коли­чеством управляемых вентилей

ШЕСТИФАЗНЫЕ СХЕМЫ

В судовой преобразовательной технике такие схемы пока не применяются. Но в силу того, что по сравнению с мосто­вой схемой прямое падение напряжения на вентилях у них вдвое меньше, а частота пульсаций в два раза больше, а также амплитуда их в два раза меньше, чем у трехфазной нулевой схемы, эти выпря­мители целесообразно использовать для получения хорошо сглажен­ного постоянного тока относительно низкого напряжения (на уровне 10 …24 В).

Эти схемы выполняются как с уравнительным реактором, так и без него. Схема без уравнительного реактора показана на рис. 10.

Рис. 10. Шестифазный управляемый выпрямитель без уравнительного реакто­ра (о) и диаграмма его работы (б)

Вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде шестифазной звезды с нулевым выводом. В любой момент времени открыт один вентиль, потенциал анода которого выше чем у других. Коммутация вентилей происходит при в моменты пересечения кривых фазных напряжений (или позднее на угол ). Кривая выпрямленного на­пряжения — огибающая синусоид фазных напряжений: .

Максимальное обратное напряжение на вентилях может быть опреде­лено графически (рис. 10, б) для VD1 и :

;

;

.

Первичная обмотка трансформатора должна быть соединена в тре­угольник, иначе в его сердечниках возникают нескомпенсированные МДС, пульсирующие с тройной частотой и вызывающие потоки вынуж­денного намагничивания.

Шестифазная схема с уравнительным реактором показана на рис. 11. Она представляет собой два трехфазных нулевых УВ, рабо­тающих на общую нагрузку через уравнительный реактор.

Питание схемы осуществляется от такого же трансформатора, имеющего по две вторичных обмотки на каждом сердечнике. Если счи­тать намагничивающий ток реактора равным нулю, то , практически такой режим имеет место начиная с I_кр=1…2% I_ном.

Рис. 11. Шестифазный УВ с уравнитель­ными реакторами (а) и диаграмма его ра­боты (б)

Если считать, что в нагрузке среднее значение постоянного тока является суммой токов, создаваемых каждой половиной схемы, то переменные составляющие прикладываются к уравнительному реак­тору. На диаграмме (рис. 11, б) показаны огибающие напряжения U_a , U_b , U_c левой и U_a’, U_b’, U_c’ правой частей схемы; заштрихован­ная область позволяет определить напряжение U_k на реакторе; кривая напряжения на нагрузке (толстая линия) может быть получена как разность .

Для этой схемы

;

;

;

(, индуктивная нагрузка).

При , растет амплитуда напряжения на реакторе (при — в 3,5 раза) и соответственно его габаритные размеры.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

Для мощных выпрямительных устройств (управляе­мых и неуправляемых), рассчитанных на относительно высокие на­пряжения и токи, в частности для гребных электрических установок, применяют 12-пульсные схемы, которые состоят из двух мостовых трехфазных выпрямителей, включенных последовательно или парал­лельно. В первом случае напряжение на нагрузке является суммой вы­ходных напряжений мостовых схем, во втором — суммируются токи. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения питание этих мостов производится или от вторичных обмоток одного трансформато­ра, но включенных по разным схемам (рис. 12, а), или от двух обмо­ток одного синхронного генератора СГ, сдвинутых в пространстве на (рис. 12, б).

Рис. 12. Последовательное (а) и параллельное (б) включение выпрямительных схем

Первая схема, кроме различного включения обмоток, требует соотношения числа их витков , что дает на выходе мостов одинаковое напряжение и . Ток нагрузки проте­кает последовательно через оба моста, т. е. через четыре вентиля, что вызывает дополнительные потери. Сложение двух выпрямленных на­пряжений, каждое из которых имеет 6-кратную пульсацию, но сдви­нутую на 30°, дает в результате 12-кратную пульсацию со значитель­но уменьшенной амплитудой: q = 2/(m² — 1) = 0.014.

При использовании схемы с уравнительным реактором УР происхо­дит сложение токов в нагрузке при равенстве выходных напряжений мостов. За счет фазового сдвига на 30° мгновенные значения напряже­ний U_d1 и U_d2 не равны, и разница между ними прикладывается к реак­тору. Качество напряжения (коэффициент и частота пульсаций) здесь такое же, как при последовательном включении мостов, a q даже не­сколько меньше за счет реактора. Недостатком схемы является нали­чие реактора, который выполняет ту же функцию, что и в шестифазной нулевой схеме, но так как напряжение на уравнительном реакторе имеет частоту , то амплитуда напряжения на нем и габаритная мощность его невелика.

Такая схема имеет более высокий КПД, так как потери в вентилях меньше, чем при последовательном включении мостов. Если в мостах установлены управляемые вентили, то их работа аналогична работе мостовой схемы при индуктивной нагрузке, но оба моста при парал­лельном включении управляются одновременно, а при последователь­ном — по произвольному закону.

Опыт 5 Нулевая реверсивная схема выпрямления

В нулевом реверсивном выпрямителе (Рис.13) вторичные обмотки

трансформатора питают две группы тиристоров. При одном направлении тока в нагрузке работают тиристоры — В1, В3,В5, а при обратном направлении тока работают В2, В4, В6.

Рис.13 Схема принципиальная

В реверсивной схеме содержится две нулевые схемы. Одна группа

вентилей работает при замкнутом ключе К1 и преобразует переменной

напряжение в выпрямленное напряжение положительной полярности, вторая группа – отрицательной полярности.

Рис. 14 Модель схемы в программной среде Matlab

Рис. 15

Вывод: Схема аналогична нулевой схеме выпрямления, но унее имеется возможность изменения полярности выпрямленного напряжения.

Достоинства:Аналогичны нулевой трехфазной схеме, но появляется возможность реверса.

Недостатки: Аналогичны нулевой трехфазной схеме

Опыт 6 Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова)

В мостовом трехфазном выпрямителе вторичные обмотки трансформатора

питают два встречно-параллельно соединенных мостовых выпрямителя.

В любом промежутке времени должны быть включены два вентиля – один из катодной, а другой из анодной группы. Поочередная работа различных пар вентилей в схеме приводит к появлению на сопротивлении выпрямленного напряжения, состоящего из частей линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

В первом промежутке наибольшее положительное значение имеет напряжение , подаваемое к аноду вентиля 1, а наибольшее отрицательное значение – напряжение , подводимое к катоду вентиля 6. Следовательно, в этом промежутке одновременно включены вентили 1 и 6. Через вентиль 1 положительное напряжение подводится к нижнему зажиму, а через вентиль 6 отрицательное напряжение подводится к верхнему зажиму сопротивления . В следующем промежуткев точке пересечения напряжение , поэтому из анодной группы включается вентиль 2. Так как правее точки напряжение имеет наибольшее отрицательное значение, вентиль 6 выключается. И так далее.

Рис. 16

Рис. 17 Модель схемы в программной среде Matlab

Рис. 18

Вывод: Данный выпрямитель имеет 6пульсаций за период, высокий КПД.

Достоинства:

Отсутствие бестоковых пауз

Возможность подключения без трансформатора

Коэффициент схемы близок к 0.9

Снижение расчетной мощности и подмагничивания трансформатора

Недостатки:

Наличие последовательно соединенных вентилей повышает риск пробоя.

Лабораторная работа №7 Трехфазная мостовая реверсивная схема выпрямления

В мостовом трехфазном выпрямителе используют два встречно-параллельно соединенных мостовых выпрямителя. При одном

направлении тока работает один выпрямительный мост, а при обратном направлении тока работают тиристоры второго выпрямительного моста.

Переключение между мостами обеспечивает от внешнего источника.

Рис. 20 Схема принципиальная

Рис. 21

Рис. 22

Вывод: Схема аналогична нулевой схеме выпрямления, но унее имеется возможность изменения полярности выпрямленного напряжения.

Достоинства: Аналогичны мостовой трехфазной схеме, но появляется возможность реверса.

Недостатки: При одновременном включении всех ключей произойдет короткое замыкание.