1.1.3 Показатели качества выпрямителей

Оценка эффективности использования полупроводниковых элементов в схеме выпрямления производится коэффициентами использования элементов по напряжению k_U и по току k_i:

	kU = Uобр/U0;	(1.2)
	ki = Iпр m/Iпр ср.	(1.3)

Для характеристики эффективности функционирования схем выпрямления выпрямительных устройств используют показатель качества – коэффициент схемы k_сх, характеризующий связь между действующим значением переменного напряжения U₂, поступающим на полупроводниковые элементы, и средним значением выпрямленного напряжения U_Н = U₀:

kсх = Uн / U2.

(1.4)

Выпрямленные напряжение u_в(t) и ток i_в(t) можно представить в виде суммы двух составляющих: постоянной, т. е. среднего значения U₀(I₀) и переменной u_в~ (i_в~), представляющих собой переменное напряжение (ток) несинусоидальной формы.

В соответствии с разложением периодической функции в ряд Фурье, ее среднее значение определяется как

.

(1.5)

Несинусоидальное напряжение можно представить в виде суммы гармонических напряжений

(1.6)

где n – номер гармоники; m – количество пульсаций в выпрямленном напряжении за один период переменного напряжения питающей сети; – угловая частота напряжения питающей сети; U_nm – амплитуда n-й гармоники; – начальная фаза n-й гармоники.

Пульсации (содержание переменных составляющих в выпрямленном напряжении) оцениваются значением коэффициента пульсаций K_пU. Существуют следующие определения коэффициентов пульсации:

(1.7)

где U_n – действующее значение n-й гармоники ( ); – размах пульсации выпрямленного напряжения; U_1m – амплитуда первой гармоники.

Эффективность сглаживающего фильтра выпрямительного устройства оценивают по его способности уменьшать пульсацию напряжения (тока) – по значению коэффициента сглаживания по напряжению S_U (по току S_i):

(1.8)

где – коэффициенты пульсаций напряжений (токов) на входе (до фильтра) и выходе (после фильтра).

1.2 К исследованию трехфазных схем выпрямителей

1.2.1 Трехфазные выпрямители. Общие сведения

Для электропитания потребителей средней и большой мощности на практике широко используются схемы выпрямителей трехфазного питания. Силовые трансформаторы таких выпрямителей состоят из трехфазных первичных и вторичных обмоток. Первичные обмотки соединяются либо в звезду, либо в треугольник. Вторичные обмотки с помощью специальных схем соединения позволяют получать выпрямленное напряжение с числом пульсаций за период питающей сети, кратным трем. Это позволяет с увеличением числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно уменьшить объем и массу сглаживающих фильтров, или вообще исключить их использование.

Использование трансформатора в выпрямительном устройстве позволяет обеспечивать гальваническую развязку первичного источника питания и цепей нагрузки, преобразовывать величину входного напряжения, преобразовывать число фаз.

При использовании трехфазных выпрямителей обеспечивается равномерная нагрузка на трехфазную сеть. Повышается и коэффициент использования трехфазного трансформатора выпрямительного устройства.

При трехфазной системе напряжений первичного источника электропитания используются трехфазные выпрямители, выполненные по трехфазной однотактной (рис. 1.3,а – схема Миткевича) и двухтактной мостовой (рис. 1.3,б – схема Ларионова) схемам выпрямления.

Трехфазная однотактная схема применяется в мощных выпрямитель-ных устройствах при средних значениях выпрямленного напряжения до киловольт и средних значениях тока нагрузки – до сотен ампер.

Трехфазная двухтактная схема находит широкое применение в выпрямительных устройствах средней и большой мощности для получения постоянного напряжения до десятков киловольт при нагрузке до сотен ампер.

Трехфазные схемы выпрямления – и однотактная и двухтактная – характеризуются достаточно высокой надежностью и экономичностью.

Трехфазную однотактную схему можно рассматривать как сочетание трех однофазных однотактных выпрямителей, работающих на общую нагрузку, у которых напряжения сдвинуты по фазе на 120º друг относительно друга. В любой момент времени электрическая энергия поступает в цепь нагрузки лишь от одной фазы вторичной обмотки трансформатора, которая на аноде своего вентиля создает наибольший положительный потенциал относительно общей точки. Продолжительность работы каждого вентиля составляет .

a)	б)
Рисунок 1.3 – Принципиальные схемы трехфазных выпрямителей: однотактная (а) и двухтактная мостовая (б)

В идеализированной схеме переход тока с одной фазы на другую (переключение фаз) происходит мгновенно в моменты равенства напряжений этих фаз, а чередование их соответствует порядку следования фаз вторичной стороны трансформатора. При активном характере нагрузки выпрямленный ток i₀(ωt) (и напряжение u₀(ωt)), являющийся суммарным током всех поочередно действующих фаз выпрямителя, имеет форму огибающей кривой фазных напряжений, т. е. в любой момент времени ток пропускает только один вентиль. Частота первой гармоники пульсации в цепи нагрузки в три раза выше частоты преобразуемого напряжения.

Трансформатор трехфазной однотактной схемы выпрямления работает с постоянным подмагничиванием, так как токи в фазах вторичных обмоток не меняют направления за период преобразования напряжения, а магнитные потоки, создаваемые ими, не компенсируются. Трехфазная двухтактная схема выпрямления (схема Ларионова – рис. 1.3,б) построена по мостовому принципу.