Трехфазный однотактный выпрямитель

Схема трехфазного выпрямителя представлена на рис. 1. 7. Схема (рис.1.7) состоит из трансформатора, трех вентилей и приемника энергии R_d. Для уменьшения высших гармоник выпрямленного тока последовательно с сопротивлением R_d включен реактор с индуктивным сопротивлением X_d(L_d).

Пусть трансформатор соединен по схеме .

 

 

Рис. 1. 7. Трехфазная однотактная вентильная схема

 

В промежутке (0-01) наибольшее положительное значение, как это показано на рис. 1. 8, имеет напряжение первой фазы u₁, поэтому ток протекает только через вентиль 1, а остальные вентили заперты. Начиная с момента 01 и правее u₂ > u₁, анод вентиля 2 оказывается под положительным напряжением относительно катода. Если в момент 01 на вентиль 2 поступает отпирающий импульс, он включается, а анодное напряжение вентиля 1 (u_a1 = u₁- u₂<0), и этот вентиль выключается (рис. 1.2).

Причиной выключения вентиля 1 в точке 01 является включение очередного вентиля 2.

В промежутке (01-02) ток пропускает вентиль 2. В точке 02 включается вентиль 3 и выключается вентиль 2 и т.д. Каждый вентиль пропускает ток в течение периода, равного 120⁰(), поэтому число пульсаций выпрямленного напряжения равно трем.

Когда выключен вентиль 1, к нему на интервале проводимости вентиля 2 приложено линейное напряжение , а на интервале проводимости вентиля 3 – напряжение .

Среднее значение выпрямленного напряжения найдем путем интегрирования напряжения на вторичной обмотке трансформатора в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

где – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Зная напряжение первичной сети , находим коэффициент трансформации:

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока одного вентиля

.

 

 

Рис. 2. Кривые токов и напряжений при ()

Амплитуда анодного тока вентиля

Когда вентиль заперт, на его зажимах действует линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, поэтому амплитуда обратного напряжения

.

При выпрямленный ток идеально сглажен и кривые фазных токов имеют прямоугольную форму (рис. 1. 9). В этом случае кривые выпрямленного напряжения U_d и обратные напряжения на вентилях остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку, а значения токов становятся равными (действующее значение тока вторичной обмотки):

.

 

Рис. 1. 9. Кривые токов при

По кривой первичного фазного тока (ось 4) определяем его среднее значение

По кривой первичного линейного тока (рис. 1.9., ось 6) находим его действующее значение

.

Полученные выражения справедливы для любого способа соединения первичной обмотки трансформатора (звездой или треугольником).

Вопросы для самопроверки по теме 1.2

1. Дайте сравнение основных схем выпрямления трехфазного тока: трехфазных нулевой и мостовой.

2. Как устранить поток вынужденного подмагничивания сердечника трансформатора в выпрямителях?

3. Приведите временные диаграммы идеализированного однофазного однополупериодного выпрямителя.

4. Как влияют высшие гармоники входного тока выпрямителя на питающую сеть?

Идеализированные управляемые выпрямители

И ведомые сетью инверторы

Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой

Схема данного выпрямителя приведена на рис. 1. 10.

 

 

Рис. 1. 10. Однофазный выпрямитель со средней точкой

 

 

Пусть в момент времени v =α, т.е. с задержкой на угол α относительно перехода напряжения U₁ через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля VS 1 подается управляющий импульс (рис. 1.11). Тогда вентиль VS 1 включится и в нагрузке R_d начнет протекать ток i₁ под воздействием напряжения U₁. Начиная с этого же момента, к вентилю VS 2 будет приложено обратное напряжение U_E2, равное разности напряжений U₂-U₁ двух вторичных полуобмоток.

 

Рис. 1.11. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя

при активной нагрузке и угле

 

Вентиль VS 1 будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения U₁, то вентиль VS 1 включится в момент v = π.

Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль VS 2 в момент v = π + α он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.

Угол α, называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей (v = 0, π, 2π…), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.

Из рис. 1.11 видно, что с увеличением угла α среднее значение выходного напряжения E_d будет уменьшаться.

Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:

(1.4)

Среднее выпрямленное напряжение для активной нагрузки:

(1.5)

Кривая 1 на рис. 1.12 находится по выражению (1.5).

Среднее значение выпрямленного тока

(1.6)

В соответствии с (1.5) изменение угла α от 0 до π приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от E_d0 до нуля.

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления α называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.

Рис. 1. 12. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя:

1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область на рис. 1.12 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения ω L_d / R_d

Если накопленной в индуктивности L_d энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током i_d. При ω L_d = ∞.

Режим непрерывного тока будет существовать при любых углах α в диапазоне от 0 до π/2 (кривая 2 на рис. 1. 12).

 

Однофазной мостовой управляемый выпрямитель с углом регулирования α ≠ 0

Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.

 

 

Рис. 1. 13. Однофазный мостовой выпрямитель

 

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

- среднее значение выпрямленного напряжения

;

- максимальное значение обратного напряжения на вентилях

;

- максимальное значение тока вентиля

;

- среднее значение тока вентиля

;

- действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора

; ; .

Однофазная мостовая схема, работающая с углом , имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.

Среднее значение выходного напряжения:

- при активной нагрузке

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ;

- при активно-индуктивной нагрузке, когда или имеет такое значение, что выпрямленный ток непрерывен,

.

Максимальные значения напряжений на вентилях:

- при активной нагрузке

, ;

- при активно-индуктивной нагрузке

, .

Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке

.

Инвертированием в силовой электронике называют процесс преобразования постоянного напряжения в переменное, т.е. процесс, обратный выпрямлению. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется инвертором.