7.4 Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой

Схема трёхфазного выпрямителя с нулевой точкой изображена на рисунке 7.5. Для её реализации необходимо наличие трёхфазного источника питания с нейтралью. В качестве последнего чаще всего используют вентильный трансформатор, у которого вторичная обмотка соединена звездой с выведенной нейтральной (нулевой) точкой. Полярность диодов в схеме можно изменять на противоположную. При этом меняется и полярность напряжения на нагрузке R_H.

Рисунок 7.5 – Трехфазная схема выпрямления с

нулевой точкой

На рисунке 7.6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу схемы.Из временных диаграмм видно, что диоды работают в схеме поочередно.Для полярности включения диодов, изображённой на рисунке 7.5, в любой момент времени ток проводит только один диод, анод которого имеет более положительный потенциал по отношению к общим катодам. Длительность проводящего состояния каждого диода (угол проводимости вентилей) составляет третью часть периода сетевого напряжения. Ток нагрузки выпрямителя формируется токами трех вентилей. Частота пульсации этого тока в три раза выше частоты трёхфазной сети, поэтому данная схема считается трёхпульсовой.

Переход тока с вентиля на вентиль (коммутация) происходит в моменты времени, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений u_a, u_b, u_c, которые являются моментами естественной коммутации диодов (точки k, l, m, n на временной диаграмме, изображённой на рисунке 7.6).

Кривая выпрямленного напряжения на нагрузке

u_Нможет быть получена как огибающая синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трехфазного трансформатора. Форма обратного напряжения на вентиле формируется из участков синусоид линейных напряжений (рисунок 7.6).

Рисунок 7.6 – Временные диаграммы трехфазной нулевой схемы выпрямления: u_ф – фазные напряжения на входе выпрямителя; i_v1, i_v2 , i_v3 – кривые токов в первом, втором и третьем диодах; u_v1, u_v2, u_v3 – кривые напряжений на первом, втором и третьем диодах; u_н, i_н – кривые напряжения и тока на нагрузке

С учетом периодичности кривой выпрямленного напряжения его среднее значение можно определить путем интегрирования кривой u_н за треть периода:

_(7.23)

где U_2ф– действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке вентильного трансформатора

_{. (7.24)}

Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки вентильного трансформатора:

. (7.25)

Среднее значение тока диода

^. _(7.26)

Максимальное значение тока диода

^.(7.27)

Действующие значения тока вентиля I_V и тока вторичной обмотки трансформатора I₂

. (7.28)

На практике последовательно с нагрузкой обычно включается сглаживающий дроссель значительной индуктивности, тогда

действующие значения тока вентиля I_Vи тока вторичной обмотки трансформатораI₂:

^.(7.29)

Коэффициент трансформации трансформатора

. (7.30)

Действующее значение первичного тока трансформатора, обмотки которого соединены звездой,

^.(7.31)

Напряжение на нагрузке состоит из отрезков синусоид длительностью 2π/3. Разложение такой периодической кривой в ряд Фурье имеет вид:

.

studfile.net

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (трехфазный однополупериодный)

Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода (вентиля). Нагрузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом трансформатора.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных точек схемы выпрямления.

На интервале времени [t₁;t₂] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы “a”.

В момент t₂ происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы “b” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t₂; t₃] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “b” и “a” и он находится в закрытом состоянии.

В момент t₃ прикладывается линейное напряжения U_ca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

К недостатком этой схемы можно отнести:

• Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

• Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

• Более низкие качественные показатели (K _п , K₀) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.

• Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения и возрастают пульсации.

• С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из — за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

• более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

Основные соотношения:

Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем выпрямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и работающих на общую нагрузку

.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений в различных точках схемы выпрямления.

На интервале [t₁;t₃] фаза “a” имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается “+”). В момент времени t₃ происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза “b” становится более положительной по отношению к другим фазам.

На интервале [t₂;t₄] фаза “c” имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля и он работает два такта.

К недостаткам схемы можно отнести:

• Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

• Высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.

• Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.

• Возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи.

• Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный).

• Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

В связи с вышеперечисленным рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.

Основные соотношения:

;;

;;

studfile.net

Сравнение схем включения мощных преобразователей постоянного тока

Построение преобразователей большой мощности производится по тому же принципу что и маломощных. Существенная разница заключается лишь в том, что при питании преобразователей большой мощности осуществляется от трехфазных цепей переменного тока. Это обусловлено лучшими энергетическими показателями трехфазной сети по сравнению с однофазной для выпрямителей.

Трехфазная нулевая схема

Давайте начнем знакомство с мощными выпрямителями с трехфазной нулевой схемой включения. Она показана ниже:

При данном типе включения ток будет проходить только через ту  вторичную обмотку, на которой напряжение будет наибольшим в данный момент. Если допустить что диоды идеальные, то падение напряжения на них равно нулю, а это значит что при работе фазы с наибольшим напряжением на катоде положительный потенциал будет приложен к анодам других диодов, что делает физически невозможным протекания тока через них. Поэтому в каждый промежуток времени в течении электрических градусов будет работать только одна из фаз и выпрямленное напряжение будет иметь вид верхушек синусоид с трехфазными пульсациями. Таким образом у такого типа выпрямителя пульсность равна трем – m=3.

Коэффициент пульсаций для данного случая будет равен  . Это значит что коэффициент пульсаций для данной схемы значительно ниже чем для однофазной, где он равен 0,67.

Среднее значение выпрямленного напряжения будет равно:

Откуда можем получить:

Схема соединения «зигзаг»

Значительным недостатком трехфазных нулевых схем является то, что сердечник магнитопровода при его работе будет намагничен постоянным магнитным потоком, в следствии чего в каждой вторичной обмотке будет протекать ток, направленный только в одну сторону. Это довольно сильно ухудшает работу трансформатора и требует завышения поперечного сечения сердечника. Чтобы избежать этого недостатка вторичную обмотку трансформатора могут выполнять по так называемой схеме «зигзаг». Она приведена ниже:

При таком соединении ток каждой фазы проходит по двум обмоткам, которые принадлежат различным сердечникам и соединены таким образом, что в каждом сердечнике магнитные потоки направлены встречно и уничтожают друг друга. Но при этом вторичное напряжение формируется двумя обмотками, как указано на векторной диаграмме:

Алгебраическая сумма напряжений которых в больше той, которая прикладывается к диодам. Такое соединение приводит к увеличению мощности трансформатора и усложняет его изготовление.

Схема Ларионова или мостовая схема

Можно сделать вывод что ни нулевая схема соединения, ни зигзаг не есть достаточно универсальными схемами и обладают достаточно весомыми недостатками. Поэтому более совершенной как в выпрямителях однофазных, так и трехфазных стала схема Ларионова или как ее еще называют мостовая схема, которая показана ниже:

В мощных выпрямителях нагрузка как правило носит индуктивный характер из – за применения сглаживающих дросселей. При этом ток почти полностью сглажен:

Как видим из диаграммы ток в нагрузке будет проходить под действием линейного напряжения вторичных обмоток трансформатора последовательно через два диода моста. При этом обмотка каждой из фаз будет работать последовательно с обмоткой той фазы, по отношению к которой линейное напряжение будет в данный момент самым большим. Как мы можем убедится из диаграммы приведенной выше, что эти условия для прохождения тока будут повторятся шесть раз за период, то есть данная схема будет иметь шестифазные пульсации (m=6) с амплитудой . Каждая из вторичных обмоток трансформатора будет проводить ток треть периода в обеих направлениях. Таким образом токи вторичных напряжений изменяются и намагничивание сердечника постоянным магнитным потоком отсутствует. Токи первичной обмотки повторяют действия вторичной с учетом коэффициента трансформации.

Рассмотрим более подробно показатели этой системы:

• Действующее напряжение вторичной обмотки:

Поскольку амплитуда выпрямленного напряжения равна , а m=6 :

• Коэффициент трансформации будет иметь вид:

• Среднее значение выпрямленного тока: I_d (допускаем что ток полностью сглажен)
• Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

• Действующее значения тока первичной обмотки:

• Мощность трансформатора:

• Коэффициент пульсаций:

• Средний ток диодов:

• Наибольшее обратное напряжение на диоде:

Для каждого диода, как и в нулевой схеме, приложенное линейное напряжение . Но соответственно к выпрямленному напряжению U_d в этом случае:

elenergi.ru

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом (трехфазный однополупериодный)

Данная схема содержит трехфазный трансформатор T и три диода (вентиля). Нагрузка включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом трансформатора.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений различных точек схемы выпрямления.

На интервале времени [t₁;t₂] фаза “a” имеет наибольший потенциал по сравнению с другими фазами относительно нулевой точки трансформатора, поэтому диод VD1 находится в открытом состоянии и через него протекает ток. На нагрузке напряжение изменяется по закону огибающей фазы “a”.

В момент t₂ происходит перекоммутация с VD1 на VD2, т.к. потенциал фазы “b” становится наибольшим по отношению к нулевой точке. К нагрузке прикладывается фазное напряжение.

На интервале времени [t₂; t₃] к первому диоду прикладывается линейное напряжение между фазами “b” и “a” и он находится в закрытом состоянии.

В момент t₃ прикладывается линейное напряжения U_ca, так как происходит переключение вентилей (с VD2 на VD3).

К недостатком этой схемы можно отнести:

• Высокий уровень обратного напряжения (среднее напряжение – фазное, обратное – линейное), что не позволяет использовать данную схему при повышенных уровнях напряжения.

• Ток во вторичной цепи трансформатора протекает в течение одной третьей части периода и имеет одностороннее направление, что увеличивает габаритные размеры трансформатора. Для исключения подмагничивания сердечника необходимо делать запас по намагниченности (уменьшать значение B_m), что приводит к дополнительному увеличению габаритов трансформатора. Иногда в сердечник трансформатора вводят воздушный зазор.

• Более низкие качественные показатели (K _п , K₀) по сравнению с двухполупериодной схемой выпрямления.

• Индуктивность рассеяния трансформатора влияет на форму выпрямленного напряжения, что является ограничением по мощности. При этом снижается уровень выпрямленного напряжения и возрастают пульсации.

• С точки зрения монтажа схемы – исключена возможность соединения вторичной цепи треугольником из — за нулевого вывода.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

• более высокие токи нагрузки по сравнению с двухтактной схемой (малые потери из-за того, что в работе участвует один вентиль в любой момент времени).

Основные соотношения:

Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из двух трехфазных однополупериодных схем выпрямления, питающихся от одних и тех же вторичных обмоток трансформатора и работающих на общую нагрузку.

На рисунке представлены графики зависимостей для токов и напряжений в различных точках схемы выпрямления.

На интервале [t₁;t₃] фаза “a” имеет наибольший потенциал по отношению к другим фазам, поэтому диод VD2 работает два такта (т.к. к аноду прикладывается “+”). В момент времени t₃ происходит перекоммутация в катодной группе со второго на четвертый диод, т.к. фаза “b” становится более положительной по отношению к другим фазам.

На интервале [t₂;t₄] фаза “c” имеет более отрицательный потенциал по отношению к другим фазам. Отрицательный потенциал прикладывается к катоду пятого вентиля и он работает два такта.

К недостаткам схемы можно отнести:

• Большое падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя за счет работы двух вентилей, что не позволяет использовать схему при высоких значениях тока нагрузки.

Достоинствами схемы выпрямления являются:

• Высокое значение коэффициента выпрямления К₀ и малый уровень обратного напряжения, что позволяет использовать схему при высоких уровнях напряжения.

• Малое значение коэффициента пульсаций по сравнению со схемой с нулевым выводом, что уменьшает габариты сглаживающего фильтра.

• Возможность использования различных способов соединения обмоток трансформатора во вторичной цепи.

• Отсутствие одностороннего намагничивания сердечника трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора – двухполярный).

• Хорошее использование трансформатора (ток во вторичной цепи трансформатора протекает 2/3 периода), что увеличивает КПД устройства.

В связи с вышеперечисленным рядом достоинств данная схема нашла очень широкое распространение.

Основные соотношения:

;;

;;

studfile.net

Неуправляемые трёхфазные схемы выпрямления | BlogTIMT.ru

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.

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 e_2a (рисунок 1б), следовательно, будет открыт диод VD₁ и в цепи вторичной обмотки будет протекать ток i_2a, с обмотки e_2a, через диод VD₁, нагрузку R_н и на нулевой вывод вторичной обмотки.

В следующий период времени от ωt₂ до ωt₃. Максимальное значение ЭДС изменится на e_2b (рисунок 1б), откроется диод VD₁, и ток i_2b будет замыкаться по следующей цепи: вторичная обмотка трансформатора e_2b, диод VD₂, нагрузку R_н 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’’.

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 e_2a, следовательно в катодной группе будет открыт диод VD₁. В анодной группе будет открыт диод VD₄, так как наибольшее отрицательное значение будет на фазе e_2b. Отсюда следует, что ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e_2a, точка «A», диод VD₁, нагрузка R_н, диод VD₄, точка «B» и в фазу e_2b.

Для большей ясности рассмотрим следующий промежуток времени от ωt₂ до ωt₃. В Катодной группе до сих пор будет открыт диод VD₁, так как фаза e_2a 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_2с. Следовательно, ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e_2a, точка «A», диод VD₁, нагрузка R_н, диод VD₄, точка «C» и в фазу e_2c.

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’ (e_2a, e_2b, e_2c) первого выпрямителя сплошной линией, второго u₀₁’’ (e_2x, e_2y, e_2z) пунктирной.

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

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 e_2a, следовательно будет открыт диод VD_a и ток начнёт протекать в верхнюю обмотку W дросселя. В нижнем выпрямителе максимальной положительной ЭДС будет e_2z, значит ток с этой обмотки будет протекать через диод VD_z в нижнюю обмотку W’ дросселя. В этот момент времени напряжение на нагрузке будет равно u₀₁=(e_2a+e_2z)/2.

На следующем интервале времени от ωt₂ до ωt₃ в верхнем выпрямителе до сих пор будет максимальное положительное значение ЭДС на фазе e_2a, у нижнего выпрямителя максимальное положительное значение ЭДС изменится, и теперь ток будет протекать с фазы e_2x и через диод VD_x в нижнюю обмотку W’ дросселя. На следующих интервалах времени будут работать фазы e_2b и e_2x, затем e_2b и e_2y 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.

blogtimt.ru

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> ub, 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.

electrono.ru

7.2 Однофазная схема выпрямления с нулевой точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой (средней) точкой изображена на рисунке 7.1. Своё название схема получила из-за того, что вторичная обмотка вентильного трансформатора разделена на две равные части и из средней точки раздела сделан вывод, к которому подключается нагрузка. Данную схему можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих в противофазе на общую нагрузку R_н. В первую половину периода, когда полярность напряжения на вторичной обмотке вентильного трансформатора соответствует обозначениям на рисунке 7.1, в проводящем состоянии находится диодVD₁, аVD₂закрыт. Ток протекает в верхнем контуре вторичной цепи по часовой стрелке. Во второй полупериод полярность напряжения на обмотке меняется и в работу вступает диодVD₂, аVD₁закрывается. Ток в этом случае протекает в нижнем контуре вторичной цепи против часовой стрелки. Коммутация тока с одного диода на другой происходит в момент перехода сетевого напряжения через нуль. Независимо от того, какой диод открыт, через нагрузкуR_Н токi_Hпроходит в одном направлении, указанном на рисунке 7.1.

Работа выпрямителя иллюстрируется с помощью временных диаграмм, приведённых на рисунке 7.2. Из этих диаграмм видно, что частота пульсации выходного напряжения u_H на нагрузке в два раза выше частоты сети, поэтому однофазная схема с нулевой точкой считается двухпульсовой (двухполупериодной).

Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя для данной схемы

_{, (7.1)}

где U₂ – действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки вентильного трансформатора;

ω – угловая частота входного напряжения.

Рисунок 7.1 – Однофазная двухполупериодная схема

Выпрямления с нулевой точкой

Рисунок 7.2 – Временные диаграммы работы однофазной двухполупериодной схемы с нулевой точкой: u₂ – кривая напряжения на половине вторич-ной обмотки трансформатора; i_V1, i_V2 – кривые токов диодов VD₁ и VD₂; u_V1, u_V2 – напряжение на диодах VD₁ и VD₂; i_н – кривая тока нагрузки; u_н– кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора

_(7.2)

Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки I_d:

^{. (7.3)}

Максимальное значение тока диода

. (7.4)

Действующее значение тока диода

. (7.5)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

(7.6)

где R_H– сопротивление нагрузки выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

(7.7)

Напряжение на нагрузке – несинусоидальное пульсирующее, состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. Оно образовано постоянным напряжением некоторой величины и набором переменных синусоидальных напряжений определённой частоты и амплитуды. Эти синусоидальные напряжения называются гармониками. Величина каждой составляющей напряжения на нагрузке может быть получена после разложения исходной несинусоидальной кривой в ряд Фурье.

Для рассматриваемой схемы в результате разложения имеем:

.

Из разложения видно, что напряжение на нагрузке формируется постоянной составляющей величиной U_d, не зависящей от времени, и гармоника_{ми с чётной частотой и убывающей амплитудой} .

Для оценки качества напряжения на выходе выпрямителя вводится коэффициент пульсации, под которым подразумевается отношение амплитуды основной гармоники в кривой выпрямленного напряжения к среднему значению этого напряжения. Основной считается гармоника с минимальной частотой.

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения рассматриваемой схемы

,

следовательно, коэффициент пульсации

. (7.8)

Коэффициент трансформации трансформатора

. (7.9)

Мощность первичной обмотки вентильного трансформатора

^,

где Р_d─ мощность на выходе выпрямителя (мощность нагрузки).

Суммарная мощность двух вторичных обмоток трансформатора

^{. (7.10)}

Расчетная мощность трансформатора

. (7.11)

Если на выходе выпрямителя включён сглаживающий дроссель с индуктивностью значительной величины, то мощность трансформатора

. (7.12)

Уменьшение установленной мощности трансформатора объясняется изменением формы тока, протекающего по вторичной обмотке, которая из синусоидальной превращается в прямоугольную.

К достоинствам схемы однофазного выпрямителя с нулевой точкой можно отнести малое количество диодов и протекание тока в любой момент времени только по одному из них. Последнее свойство очень важно для низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами, так как позволяет в этом случае повысить КПД выпрямителя за счёт снижения падения напряжения на диодах.

В качестве недостатков рассматриваемой схемы можно отметить большое обратное напряжение на диодах по сравнению с выходным и плохое использование вентильного трансформатора по мощности. Кроме того, при ее реализации необходимо иметь вентильный трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками для получения средней точки.

Отмеченные недостатки в меньшей степени присущи однофазной мостовой схеме выпрямления.

studfile.net