Лекции 5-6 - Конспекты, страница 7

макс 2RНU2 2U ср  1,2 I ср .3 2 3 RН(5.92)Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньшевыпрямленного тока:Iд I ср3.(5.93)Расчётные мощности обмоток и типовая мощность трансформаторасоставят:P1  3U1I1  1,23U ср I ср .(5.94)P2  3U 2 I 2  1,48U ср I ср .(5.95)PT  1,35U ср I ср .(5.96)Трёхфазная нулевая схема позволяет получать выпрямленное напряжениеболее сглаженной формы с переменной составляющей ме́ ньшей амплитуды,чем однофазная мостовая.Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляетKП втовремякакдля22 2 0, 25 ,m 1 3 12двухполупериодногооднофазного(5.97)выпрямителякоэффициент пульсаций равен 0,67.

Частота пульсаций в трёхфазномвыпрямителе в 3 раза выше частоты питающей сети. Вместе с тем данная схема53Электропитание РЭАГлава 5является однотактной, так как токи во вторичных обмотках трансформаторапротекают лишь один раз за период.Недостаток трёхфазной нулевой схемы – прохождение через вторичныеобмотки тока (iа2, ib2 и iс2) только в одном направлении, что создаёт магнитныйпотокподмагничивания,вызывающийдополнительныйнагревтрансформатора. Поэтому схему широко применяют только в выпрямительныхустройствах с трансформаторами, ток вторичной обмотки которых обычно непревышает 100 А.Вместе с тем поток вынужденного подмагничивания может бытьисключёнвведениемдополнительныхобмоток(тоестьусложнениемтрансформатора) на вторичной стороне и соединением вторичных обмоток"зигзагом".Как правило, в схему трёхфазного выпрямителя с нулевым выводомвходит трансформатор со вторичными обмотками, соединёнными "звездой" или"зигзагом".

Соединение вторичной обмотки трансформатора в "треугольник" вданной схеме выпрямления не применимо, так как при этом соединенииотсутствует нулевой провод. Первичные обмотки соединяют "звездой" или"треугольником".Схематрёхфазногомостовоговыпрямителя(схемаЛарионова)приведена на рисунке 5.26, а временны́ е диаграммы его работы на чистоактивную нагрузку – на рисунке 5.27.Рисунок 5.26 – Схема трёхфазного мостового выпрямителя (Ларионова)54Электропитание РЭАГлава 5Используемыевданнойсхемешестьдиодоввыпрямляюткакположительные, так и отрицательные полуволны трёхфазного напряжения.Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.Шесть диодов образуют две группы: с общим катодным выводом (VD1,VD3 и VD5) и общим анодным выводом (VD2, VD4 и VD6). Диодыподключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные ивторичные обмотки которого соединены в "звезду" или "треугольник".В нечётной группе (VD1, VD3 и VD5) в течение каждой трети периодаработает тот диод, у которого выше потенциал вывода.

В чётной группе в этотинтервал времени работает тот диод, у которого катодный вывод имеетнаиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодныхвыводов. Таким образом, в интервале 1-2 ток проходит от фазы Aтрансформатора через диод VD1, нагрузку RН, диод VD4 к фазе Bтрансформатора.

В интервале 2-3 ток проходит через диод VD1, нагрузку RН идиод VD6. То есть за период входного напряжения происходит шестьпереключений вентилей. Схема работает в шесть тактов, в связи с чем её частоназывают шеcтипульсной.Таким образом, в трёхфазной мостовой схеме в любой момент временипри активной нагрузке ток проходит через два диода – один из нечётной, адругой – из чётной группы. Диоды нечётной группы коммутируются в моментпересечения положительных участков синусоид (точки 1, 2, 3), а чётнойгруппы – в момент пересечения отрицательных участков (точки 4, 5, 6).

Криваявыпрямленного напряжения uвых состоит из участков линейных напряженийвторичных обмоток трансформатора.Среднее значение выпрямленного напряжения находят по среднемузначению напряжения uвых за период повторяемости π/3: /2 /611U ср 2Usintdt2U 2 B sin td t 2A / 3 /6 / 3 /23 6U 2  2,34U 2 .55(5.98)Электропитание РЭАГлава 5Рисунок 5.27 – Временны́ е диаграммы работы трёхфазного мостовоговыпрямителя56Электропитание РЭАГлава 5Очевидно, величина Uср в два раза выше, чем в однотактной трёхфазнойсхеме.

Выражение (5.98) удобно представить в виде U 2  0, 43U ср для фазногонапряжения и U 2 лин  3U 2  0,74U ср для линейного напряжения.Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора поопределениюI2 426I22mcos 2 td t  0,78 I 2 m .(5.99)6Амплитудное значение тока через вторичную обмотку трансформатораравно:I 2m U 2m2U 2 лин .RR(5.100)ТогдаI 2 m  1,045I ср .(5.101)I 2  0,815I ср .(5.102)Так как формы первичного и вторичного тока одинаковы, тоI1 I 2 0,815 I ср.nn(5.103)Максимальное обратное напряжение на диоде, как и в однотактнойтрёхфазной схеме, равно амплитуде линейного напряжения:U обр. макс  3 2U 2 ф  1,045U ср .(5.104)Отметим, в схеме с нулевым выводом ток нагрузки создаётся поддействием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а вмостовой схеме – под действием линейного напряжения.Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньшевыпрямленного тока Iср.Расчётная (габаритная) мощность трансформатора в рассматриваемойсхеме составитST  1,045U ср I ср .

В соответствии с этим трансформатор57Электропитание РЭАГлава 5трёхфазной мостовой схемы выпрямителя выбирают на мощность, близкую кмощности нагрузки, что является преимуществом этой схемы.Другими достоинствами схемы являются: небольшой коэффициентпульсаций выпрямленного напряженияKП 22 2 0,057 ,m 1 6 1(5.105)2а также повышенная частота пульсаций (в шесть раз выше частоты входногонапряжения),малоеобратноенапряжение,отсутствиевынужденногоподмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора изменяетсвоё направление.К недостаткам схемы следует отнести увеличенное количество вентилей,а также то, что выпрямитель не может быть применён для работы в однофазнойбытовой сети.Отметим, что на базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-хпульсных схем выпрямления, которые используют последовательное ипараллельное соединение схем при различном сочетании соединений ("звезда"или "треугольник") вторичных обмоток трансформатора.Параметрырассмотренныхвышесхемвыпрямлениянапряженияпеременного тока сведены в таблицу 5.1.Отметим, что при работе выпрямителя от сети переменного тока важнознать характер потребляемой им мощности.

Наиболее благоприятным режимомявляется потребление только активной мощности. Это означает, что присинусоидальном напряжении сети потребляемый ток i1 также синусоидален ине имеет фазового сдвига относительно питающего напряжения. Однако такойрежим не характерен для выпрямителей средней и большой мощности:потребляемый ими ток, как было показано, несинусоидален, а его перваягармоника сдвинута относительно синусоиды переменного напряжения сети.58Таблица 5.1 – Основные соотношения в схемах выпрямителейЭлектропитание РЭАГлава 559Электропитание РЭАГлава 5Наличие фазового сдвига свидетельствует о том, что выпрямительпотребляет от сети помимо активной мощности, равной UсрIср, такжереактивную мощность.

Потребление реактивной мощности и наличие в кривойтокавысшихгармоническихсоставляющихприводяткувеличениюдействующего значения тока сети и росту потерь при передаче электроэнергиик выпрямителю.5.3.4 Обеспечение надёжности диодовДля надёжной работы диодов в выпрямителях требуется выполнениеусловий Uд.ср > Uср, Uобр.макс > U2m примерно с превышением на 30…40%. Привыпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает Uобр.максдля одного диода, включают последовательно два или более однотипных диода.При таком включении диоды можно рассматривать как единый вентиль, укоторого один из основных параметров возрастает пропорционально числуиспользуемых диодов.

Обратное напряжение при этом будет распределятьсяпропорционально обратному сопротивлению диодов.Так как обратное сопротивление у однотипных диодов имеет некоторыйразброс (Uобр последовательно включенных диодов будут разными), то длявыравнивания этих напряжений параллельно диодам включают шунтирующиерезисторы с сопротивлениями, обычно равными (0,1…0,2)Rобр (рисунок 5.28)Рисунок 5.28 – Схема последовательного соединения вентилей свыравнивающими резисторамиПараллельное соединение диодов (увеличивающее Iср) за редкимисключением не используют.60Электропитание РЭАГлава 5В переходных режимах – в моменты подключениявыпрямителя,отключения от сети, при работе в импульсных ИЭП – возможно появлениебросков обратного напряжения, имеющих небольшую длительность, нозаметно превосходящихзначения обратных напряжений в установившемсярежиме работы. Эти броски напряжения могут привести к пробою диода.

Дляпредотвращения пробоя диода используют керамические конденсаторы,подключаемые параллельно с каждым диодом при их последовательномсоединении (рисунок 5.29).Рисунок 5.29 – Схема последовательного соединения вентилей с защитнымиконденсаторами5.3.5 Высокочастотные выпрямителиВысокочастотные выпрямители применяют преимущественно в составеконверторов импульсных ИЭП, где необходимо выпрямить импульсноенапряжение.Высокочастотные выпрямители строятся также по рассмотренным ранеесхемам, однако они имеют некоторые особенности:- входное напряжение, поступающее с преобразователя постоянногонапряжения в переменное через трансформатор или минуя его, имеетнегармоническую (импульсную) форму;- из-за повышенной частоты входного напряжения начинают проявлятьсяинерционные свойства вентилей;- при скачкообразном изменении входного напряжения диоды теряютвентильные свойства на какое-то время, зависящее от скорости их включениявыключения.61Электропитание РЭАГлава 5Перечисленные факторы изменяют характеристики выпрямителей, чтоследует учитывать при их проектировании и эксплуатации.Схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным фильтром,приведённая на рисунке 5.30а, используется в однотактных импульсныхпреобразователях.