Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока

С нулевым выводом

 

На рис. 4.1 приведена трехфазная нулевая неуправляемая схема выпрямления. При замене в схеме диодов на тиристоры получается управляемый выпрямитель.

В схему входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток соединены с анодами 3-х вентилей. Нагрузка включается между общей точкой соединения катодов вентилей и нулевым выводом вторичных обмоток трансформатора.

На рис. 4.1,б показана трехфазная система вторичных напряжений трансформатора относительно нулевой точки (система фазных напряжений u_а, u_b, и u_c). Из-за способа подключения нагрузки вентили могут проводить ток только при положительной полярности вторичных напряжений.

 

 

Рис. 4.1. Схема трехфазного нулевого выпрямителя (а) и временные

диаграммы, характеризующие работу схемы при активной нагрузке (б – ж)

 

Но в открытом состоянии может находиться только один из вентилей, тот вентиль, для которого фазное напряжение выше, чем у двух других. На интервале υ₁ – υ₂ в открыт вентиль В₁, на интервале υ₂ – υ₃ открыт вентиль В₂, на интервалеυ₃ – υ₄ – В₃, затем вновь вентиль В₁ и т.д. Следовательно, интервал проводимости каждого вентиля составляет ψ = (рис.4.1, б). Моменты υ₁, υ₂, υ₃, соответствующие точкам пересечения двух синусоид вторичных напряжений, являются точками (моментами) естественного отпирания очередного вентиля.

В открытом состоянии вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке и на ней действует однополярное пульсирующее напряжениеu u_d, состоящее из участков фазных напряжений u_a, u_b, u_c (рис.4.1,в).

При работе выпрямителя на чисто активную нагрузку, кривая тока ι_d = u_d/3 имеет ту же форму, что и напряжение u_d (рис. 4.1, в). Кривые анодных токов соответствуют указанной очередности отпирания вентилей (рис. 4.1, г-е).

Исходными данными для расчета схемы, как и при расчете однофазных выпрямителей, являются значения U_d, I_d (R_н), U₁.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d определяют по заштрихованной площадке (рис. 4.1,в)

U_d = , (4.1)

 

где U₂ – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Отсюда

U₂ = = 0,85U_d. (4.2)

Данная схема имеет лучшие показатели по соотношению величин U_d и U₂ по сравнению с однофазной схемой. Лучшие показатели имеет трехфазная схема и в отношении коэффициента пульсации и частоты пульсаций выпрямленного напряжения:

, f_(п)1 = mf_с = 150 Гц.

 

Средний ток вентиля I_a и максимальный ток I_amax, соответственно равен

I_a = , I_amax = I_d, (4.3)

где I_d = U_d / R_н – среднее значение тока нагрузки.

Напряжение на вентиле зависит от разности потенциалов между анодом и катодом. Рассмотрим кривую обратного напряжения на вентиле В1 (рис. 4.1, ж). Изменение потенциала анода В1 определяется фазным напряжением u_а, а катода – изменением фазного напряжения u_b (при проводящем вентиле В2) или изменением фазного напряжения u_c (при проводящем вентиле В3). Следовательно, обратное напряжение u_b1 состоит из участков кривых линейных напряжений u_ba и u_ca, поэтому максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения трансформатора

 

U_bmax = 2,09U_d. (4.4)

 

Токи вторичных обмоток вентильного трансформатора ι_2а, ι_2b, ι_2с определяются соответствующими токами вентилей, т.е. ι₂ = ι_а. Кривые анодных токов вентилей содержат постоянную составляющую, равную I_d / 3. Протекая через вторичные обмотки трансформатора, постоянная составляющая создает в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора, из-за чего увеличивается намагничивающий ток трансформатора.

Постоянная составляющая тока не трансформируется в первичную обмотку, поэтому мгновенные значения фазных токов первичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, определяются соотношениями:

 

ι_1А = (ι_2а - ) ; ι_1B = (ι_2b - ) ; ι_1C = (ι_2c - ) ;

или

ι₁ = (ι₂ - ) . (4.5)

 

Определим действующие значения токов I₁ и I₂ при активно-индуктивной нагрузке выпрямителя (L → ∞), характерной для выпрямителей средней и большой мощности

 

I₂ = (4.6)

 

I₁ = , (4.7)

 

где ι₁ – соответствует (4.5).

Расчетные мощности первичных и вторичных обмоток трансформатора и типовая мощность всего трансформатора равны:

 

S₁ = 3U₁I₁ = = 1,21P_d, (4.8)

S₂ = 3U₂I₂ = =1,48P_d, (4.9)

S_т = =1,345P_d. (4.10)

 

Наличие постоянной составляющей является одним из существенных недостатков трехфазной схемы с нулевым выводом, поскольку может привести к насыщению магнитопровода. Во избежание насыщения, приходится или увеличивать сечение магнитопровода (а, следовательно, и габариты трансформатора) или использовать более сложную конструкцию трансформатора. Например, на каждом стержне магнитопровода располагают две вторичные обмотки, включенные таким образом, что при протекании тока через них возникает разнонаправленный магнитный поток. При этом постоянная составляющая потока в каждом стержне магнитопровода трансформатора (поток вынужденного подмагничивания) будет отсутствовать.Все это ограничивает применение данной схемы в установках большой мощности.

Лучшие результаты дает применение трехфазной мостовой схемы, в которой, как составная часть используется трехфазная нулевая схема.