Составные многофазные схемы выпрямления

 

В электротехнике и энергетике требуются выпрямители (и ведомые сетью инверторы, тема 6), мощность которых весьма значительна. Например, в качестве мощного источника энергии постоянного тока для электролиза цветных металлов, хлора и др. применяют полупроводниковые выпрямители с номинальным выпрямленным током от 6,25 кА до 150 кА и с номинальным выпрямленным напряжением от 75В до 850В. Мощные преобразователи находят широкое применение в электроприводе постоянного тока, для линий передач постоянного тока и в других отраслях.

В области больших мощностей широко применяют параллельное и последовательное подключение к нагрузке нескольких однотипных вентильных комплектов, чаще всего трехфазных мостовых схем. Это позволяет не только получить требуемые значения напряжения и тока (U_d, I_d), но и добиться ряда преимуществ: уменьшения коэффициента пульсаций схемы по выходному напряжению и повышения коэффициента мощности.

Рассмотрим основные варианты составных многофазных схем выпрямления на примере неуправляемых выпрямителей (α = 0), при их работе на активно-индуктивную нагрузку (L → ∞). Анализ управляемых выпрямителей повторяет результаты, полученные ранее.

 

4.5.1. Двойной трехфазный выпрямитель с уравнительным

реактором

 

Схема двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реактором показана на рис. 4.8. Выпрямитель состоит из двух трехфазных нулевых выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Нулевые точки звезд связаны между собой однофазным реактором со средней точкой О, которая является отрицательным полюсом для нагрузочной цепи.

 

 

 

Рис. 4.8. Схема двойного трехфазного выпрямителя с уравнительным реактором (а) и временные диаграммы, характеризующие работу схемы (б)

 

Вторичные обмотки анодного трансформатора подключены по схеме двойной звезды, что обеспечивает фазовый сдвиг напряжений u₂₍₁₎ первого нулевого выпрямителя (вентили 1,2,3) относительно напряжения u₂₍₂₎ второго нулевого выпрямителя (вентили 4,5,6) на угол 60°. При работе первого нулевого выпрямителя формируется выходное напряжение u_d1 и ток ι_d1 (рис. 4.8, б). Форма выходного напряжения u_d2 и тока ι_d2, характеризующие работу второго нулевого выпрямителя, приведена на рис 4.8,в. Токи обоих выпрямителей равны:

ι_d1 = ι_d2. Среднее значение выпрямленного тока, протекающего через нагрузку равно

I_d = I_d1 + I_d2 = 6I_a (4.26)

 

Форма напряжений u_d1 и u_d2 также одинаковы, но поскольку эти напряжения сдвинуты относительно друг друга на 60° (рис. 4.8, б, в), их мгновенные значения напряжений различны.

Действие реактора как уравнителя напряжений поясняет упрощенная диаграмма на рис 4.8, д. Разницу мгновенных значений u_у = u_d1 – u_d2принимает на себя реактор L_у. В каждой из половин обмотки уравнительного реактора наводится ток при этом одинаковые по величине, но разные по знакам (по отношению к среднему выводу реактора) напряжения. В результате анодные напряжения в пределах одной звезды уменьшаются, в пределах другой звезды они возрастают на такую же величину. Это и приводит к выравниванию напряжений в смежных фазах и к параллельной работе вентилей (анодов), связанных с ними. Поэтому в любой момент времени через две вторичные обмотки разных звезд токи проходят одновременно (рис.4.8, а), что соответствует превращению шестифазной системы в двойную трехфазную систему.

Длительность анодных токов равна 2π / 3,, амплитуда анодных токов равна I_{d max} = I_d / 2. Уменьшение амплитуды анодного тока является благоприятным фактором, позволяющим существенно повысить нагрузочную способность вентилей и вторичных обмоток трансформатора выпрямителя. Этим объясняется применение данной схемы в выпрямителях на большие токи при сравнительно невысоких напряжениях.

Мгновенное значение напряжения на нагрузке равно

 

u_н = u_d = ,

 

а его среднее значение составляет

 

U_н = U_d1 = U_d2 = U_d = 1,17U_2. (4.27)

 

Форма кривой напряжения на нагрузке показана на рис. 4.8, г. Частота пульсаций этого напряжения соответствует шестикратной периодичности., а коэффициент пульсации по основной частоте q₁ при m = 6, соответственно равен 0,057, т.е. такой же. как и мостовом трехфазном выпрямителе.

В первичной обмотке анодного трансформатора происходит сложение токов, индуцированных из вторичных обмоток. В результате ток ι₁ симметричен относительно оси υ (рис.4.8, ж) и в схеме отсутствует постоянное подмагничивание трансформатора.

 

4.5.2. Составные двенадцатипульсные выпрямители

 

Составные 12-пульсные схемы получают при параллельном или последовательном соединении двух мостовых трехфазных выпрямителей. На рис. 4.9. в виде примера приведены варианты последовательного и параллельного соединения трехфазных мостовых схем, а на рис 4.10 – временные диаграммы, характеризующие работу 12-пульсных выпрямителей.

 

 

Рис.4.9. Двенадцатипульсные составные выпрямители:

а) с последовательным включением мостов; б) с параллельным включением мостов

 

Принцип действия схем, рассмотрен на примере выпрямителей с неуправляемыми вентилями в режиме их работы с идеально сглаженным выпрямленным током (L_н → ∞). Полученные выводы остаются справедливыми и для управляемых выпрямителей. Следует отметить, что процессы в каждом из выпрямителей, из которых составляется комбинированная (составная) схема, протекают независимо, поэтому можно использовать основные соотношения, полученные для этих схем ранее.

В выпрямителе (рис. 4.9, а) вентильные комплекты подключены к нагрузке последовательно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений двух мостов

U_н =U_d1 + U_d2. (4.28)

 

Выходной ток первого моста протекает через нагрузку, а затем замыкается через второй выпрямительный мост. Поэтому мгновенные значения выпрямленных токов в схеме равны ι_н = ι_d1 + ι_d2. Также равны средние значения выпрямленных токов

I_н = I_d1 = I_d2 = 3I_а. (4.29)

 

В составных 12-пульсных схемах применяют схемы подключения выпрямительных комплектов через трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединена в треугольник, а другая в звезду (рис. 4.9). Равенство средних значений выходных напряжений U_d1 = U_d2 обеспечивается выбором числа витков обмоток, соединенных в звезду (Y) и треугольник (∆) по соотношению W_2∆ =W_2Y = . При использовании различных групп соединения вторичных обмоток трансформатора достигается сдвиг линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора на 30° (т.е. система вторичных напряжений а,в,с сдвинута относительно системы вторичных напряжений а′, в′, с′). Период пульсаций в трехфазной мостовой схеме составляет 1/6 периода (6 пульсаций за период). Сложение двух выпрямленных напряжений, имеющих шестикратную пульсацию и смещенных друг относительно друга на 30°, дает в результате кривую напряжения с периодичностью пульсаций 1/12 периода (12 пульсаций за период). Таким образом, выпрямленное напряжение двухмостовой последовательной схемы по своей кратности пульсаций соответствует 12-фазной схеме. На рис. 4.10, а-в это наглядно показано графически. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения по первой гармонике и частота пульсации при m =12 соответственно равны:

q₁ = 0,014; f_(п)1 = mf_с = 12×50 = 600 Гц.

Следовательно, качество выходного напряжения лучше, чем у мостовой схемы.

Обратное напряжение на вентилях равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора

 

U_{b max} = 1,045 U_d1,2 = 0,525 U_н. (4.30)

 

Данная схема широко применяется в выпрямителях с высокими значениями выходного напряжения.

 

 

Рис. 4.10. Временные диаграммы напряжений и токов в схемах

12-пульсных выпрямителей.

 

При необходимости получения больших значений выходного тока применяется схема, в которой вентильные мосты подключаются к нагрузке параллельно ч

Зависимый от сети инвертор при однофазной двухполупериодной схеме. Основные соотношения по выбору элементов схемы.

Двухфазный однополупериодный выпрямитель при идеальных и реальных параметрах элементов схемы.

Для получения электрической энергии нужного вида приходится преобразовывать электрическую энергию переменного тока в энергию постоянного тока (выпрямление) либо энергию постоянного тока – в энергию переменного тока (инвертирование). Выпрямление осуществляется с помощью устройств, называемых выпрямителями, а инвертирование производится инверторами. Выпрямители и инверторы являются вторичными источниками электропитания. Они состоят из функциональных узлов, выполняющих одну или несколько функций: выпрямление, инвертирование, стабилизацию, регулирование значений электрических характеристик.

Современные микроэлектронные устройства предъявляют следующие требования к качеству потребляемой электрической энергии:

- высокая стабильность питающего (первичного) напряжения;

- требуемая форма (обычно синусоидальная) переменного напряжения;

- высокая стабильность частоты и угла сдвига фаз переменного питающего напряжения;

- минимально возможный уровень пульсации питающего постоянного напряжения.

 

Самым распространенными источниками вторичного электропитания (ИВЭ) являются источники, которые преобразуют электрическую энергию сети переменного тока частотой 50 Гц. Такие ИВЭ включают в себя выпрямитель и стабилизатор.

Выпрямители бывают неуправляемыми и управляемыми. С помощью неуправляемых выпрямителей на выходе ИВЭ получают постоянное напряжение неизменного значения. Управляемые выпрямители применяют тогда, когда необходимо изменять значение выпрямленного тока или напряжения.

В зависимости от числа фаз первичного источника питания (сети переменного тока) различают однофазные и трехфазные выпрямители. Выпрямители малой и средней мощности, как правило, являются однофазными, а выпрямители большой мощности – трехфазными.

По форме выпрямления напряжения выпрямители разделяют на однополупериодные и двухполупериодные. У выпрямителя бывают четыре основных вида нагрузки: активная, активно – индуктивная, активно – ёмкостная, и с противо – Э.Д.С. (когда он питает двигатель постоянного тока или зарядное устройство).

 

15.1.2 Основные энергетические характеристики выпрямителя

Ими являются:

1. Среднее значение выпрямленного тока и напряжения I_н.ср. и U_н.ср..

2. Мощность нагрузочного устройства P_н.ср.= I_н.ср. · U_н.ср.

3. Амплитуда основного выпрямленного напряжения .

4. Действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора .

5. Типовая мощность трансформатора .

6. Коэффициент полезного действия , где Р_ТР - потери в трансформаторе, Р_д – потери в диодах.

Рисунок 15.1 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

 

однополупериодного выпрямителя

 

Для однополупериодного выпрямителя

.

Прямой ток диода

.

- коэффициент пульсации р ≈1,57.

Предельный электрический режим выпрямительного диода характеризует следующие величины: Максимальное обратное напряжение U_обр.max;максимальный прямой ток I_np.max, соответствующий I_выпр.max; максимальная частота диодов , так как в случае превышения этой частоты диоды теряют свои вентильные свойства.

 

Для выпрямления однофазного тока широко применяют однополупериодные выпрямители и два вида двухполупериодных выпрямителя.

Тр. – трансформатор; ВГ – вентильная группа; СФ - сглаживающий фильтр;

Ст. – стабилизатор

 

Рисунок 15.2 - Структурная схема однофазного выпрямительногоустройства

 

Для надёжной работы диодов в выпрямителях необходимы два условия:

Если амплитудное значение выпрямленного напряжения превышает U_обр.max, то можно включить последовательно два и больше однотипных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться обратно пропорционально сопротивлению диодов. Параллельно этим диодам включаются шунтирующие резисторы сопротивлением для выравнивания обратных напряжений.

Выпускаются полупроводниковые столбы. Это группа последовательно соединенных диодов, которые помещены в один корпус. Такие столбы выдерживают .

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее распространение получила мостовая схема.

Рисунок 15.3 - Схема (а) и динамические диаграммынапряжений и токов (б)

мостового выпрямителя

 

Коэффициент пульсаций р≈0,67. Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, как и у однополупериодного выпрямителя

Промышленностью выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор R_Н. В каждый из полупериодов напряжение U_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя.

При этом ток в резисторе R_н имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод.

Рисунок 15.4 - Схема (а) и динамические Рисунок 15.5 - Схема (а) и динамические

диаграммы напряжений и токов ( б ) диаграммы напряжений и токов (б)

выпрямителя с выводом средней трёхфазного выпрямителя с нейтральным

точки вторичной обмотки выводом

трансформатора

 

Характеристики выпрямителя с выводом средней точки те же, что и у мостового выпрямителя, за исключением напряжения U_обр.max.

При коэффициент пульсаций р ≈0,67.

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существуют два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

Здесь диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток более положительный, чем двух других.

Коэффициент пульсации р ≈ 0,25.

Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, в которых I_н.ср ≈ сотни А, а U_н.ср ≈ десятки кВ.

Трехфазный мостовой выпрямитель (предложен в 1923 году А.Н.Ларионовым) по всем показателям превосходит рассмотренный трехфазный выпрямитель.

 

 

Рисунок 15.6 - Схема (а) и динамические диаграммы (б) напряжений и токов

трёхфазного мостового выпрямителя

 

Диоды VD₁, VD₃, VD₅ образуют положительный полюс на нагрузочном резисторе R_Н, а общая точка диодов VD_2, VD_4, VD₆ – отрицательный полюс на нем. Коэффициент пульсации р = 0,057;

Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению близкому к U_н.ср. КПД выпрямителя А.Н. Ларионова больше, чем КПД выпрямителя с нейтральным выводом, так как в мостовом выпрямителе, нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

 

Сглаживающие фильтры

 

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации напряжения питания для усилительных каскадов автоматических систем регулирования не должен превышать 10^-2 10^-3; а для входных каскадов электронных измерительных приборов – 10^-4 10^-5.

Сглаживающие фильтры (СФ) включают между вентильной группой и стабилизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством R_н.

Основными элементами СФ являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного тока сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, а сопротивление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на 2 -3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Эффективность СФ характеризуется коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе:

Ёмкостные фильтры включают параллельно нагрузочному резистору R_н. В момент времени, когда U₂>U_C, конденсатор разряжается, заполняя паузу.

Рисунок 15.7 - Схема ёмкостного фильтра с мостовым выпрямителем (в) и

динамическая диаграмма напряжения и тока (г)

 

Индуктивный фильтр (ИФ) включают последовательно с нагрузочным резистором R_н, а коэффициент пульсации, равный , уменьшается благодаря увеличению длительности импульса. ИФ обычно применяют в трёхфазных выпрямителях средней и большой мощности, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочное устройство с большими токами.

Г – образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Они могут быть LC – типа и RC – типа:

Рисунок 15.8 - Схемы Г – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтра (б)

 

Эти фильтры обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций, что объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора.

Коэффициент сглаживания L_Ф и С_Ф задаются при расчетах. При

П – образные фильтры являются многозвенными фильтрами, содержащими ёмкостные фильтры и Г – образные фильтры.

Рисунок 15.9 - Схемы П – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтр (б)

 

Их коэффициент пульсаций равен приближённо произведению коэффициентов сглаживания составных фильтров (ёмкостного и Г – образного).

Электронные фильтры. В электронных фильтрах вместо дросселей включают транзисторы. Эти фильтры снижают пульсации в 3 -5 раз, так как сопротивление промежутка коллектор – эмиттер постоянному току на два – три порядка меньше сопротивления этого же промежутка переменному току.

Рисунок 15.10 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в коллекторную цепь

Рисунок 15.11 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в эмиттерную цепь

 

Здесь фильтр построен на эмиттерном повторителе, что позволяет получить низкое выходное сопротивление выпрямителя на нагрузке, т.е. этот фильтр малочувствителен к изменению тока нагрузки.

 

Рисунок 15.12 - Схемы параллельного транзисторного фильтра на одном транзисторе (а),

на составном транзисторе (б) и на операционном усилителе (в)

Применение ИМС (операционных усилителей) еще больше закрывают составной транзистор, то есть еще больше уменьшают выходную проводимость (в составном транзисторе несколько транзисторов включают в коллекторную цепь друг друга последовательно).

Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нём

1 – U_н.х. – это U при I_Н=0; 2 – ёмкостной фильтр; 3 – Г – образный RC – фильтр

 

Рисунок 15.13 - Внешние характеристики выпрямителя