3. Выпрямители трехфазного тока

3.1.Краткие теоретические сведения

Выпрямители средней и большой мощности выполняют преимущественно по многофазным схемам. Применение многофазных схем позволяет создать равномерную нагрузку на все три фазы сети, уменьшить коэффициент пульсации и повысить частоту пульсации выпрямленного напряжения, повысить коэффициент мощности выпрямительной установки , уменьшить расчетную мощность вентильного трансформатора.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей.

3.1.1. Трехфазный нулевой выпрямитель

Укажем основные расчетные соотношения для трехфазного нулевого неуправляемого выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно

U_d = 1,17 U₂. (30)

Среднее и максимальное значения анодного тока (I_а, I_аm) соответственно равны

I_а = I_d / 3, I_аm = I_d. (31)

Максимальное обратное напряжение на диоде рассчитывают по соотношению

U_bm = = 2,09U_d. (32)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I₂ = . (33)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора рассчитывают по формуле

I₁ = . (34)

Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора и расчетная (типовая) мощность всего трансформатора равны:

S₁ = 3U₁I₁ = 1,21P_d, (35)

S₂ = 3U₂I₂ = 1,48 P_d, (36)

S_т = = 1,345 P_d. (37)

Коммутационные потери напряжения приводят к уменьшению выпрямленного напряжения на нагрузке при увеличении тока нагрузки. Внешняя характеристика трехфазного нулевого выпрямителя описывается уравнением вида:

а) для неуправляемого выпрямителя (α = 0)

; (38)

б) для управляемого выпрямителя (α ≠ 0)

. (39)

Для управляемого выпрямителя основные расчетные соотношения, приведенные выше, справедливы для значения угла управления  =0. Дополнительной характеристикой является регулировочная характеристика, т. е зависимость выпрямленного напряжения U_d от угла управления . При построении регулировочной характеристики трехфазного нулевого управляемого выпрямителя следует учитывать, что вид регулировочной характеристики выпрямителя, а соответственно и предельный угол управления зависят от характера нагрузки. При работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (L_d → ∞) выпрямленный ток имеет непрерывный характер. Среднее выпрямленное напряжение U_d и регулировочную характеристику U_d = f (α) рассчитывают по формуле

U_d = U_d0 cosα (40)

Предельный угол управления в этом случае равен 90˚.

Для режима работы схемы на активную нагрузку (L_d=0) следует учесть, что имеются две характерные области управления. Первая область в диапазоне 0 характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока. Среднее выпрямленное напряжение для этой области определяется уравнением (40). Вторая область в диапазоне углов - это область прерывистого тока нагрузки. Уравнение регулировочной характеристики для этого режима:

. (41)

Как видно из последней формулы, для трехфазной нулевой схемы, при ее работе на активную нагрузку предельным углом управления (при котором U_d = 0) является угол  =150˚.

3.1.2. Трехфазный мостовой выпрямитель

Ниже приведены основные расчетные соотношения для трехфазного мостового выпрямителя:

- среднее значение выпрямленного напряжения рассчитывается по формуле

U_d = 2,34 U₂; (42)

- обратное максимальное напряжение на диоде

U_bm =1,045 U_d; (43)

- среднее и максимальное значение прямого тока диода

I_а = , I_аm = I_d; (44)

-действующие значения тока вторичной и первичной обмоток трансформатора

I₂ = I_d, (45)

I₁ = I_d; (46)

Расчетные мощности первичных и вторичных обмоток мостового выпрямителя равны, а соответственно им равна и расчетная (типовая) всего трансформатора

S₁ = S₂ = S_т = 1,045 P_d. (47)

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления  (регулировочная характеристика мостового управляемого выпрямителя) при L_d определяется формулой (40).

При работе выпрямителя на активную нагрузку (L_d = 0) схема имеет два качественно отличных режима работы.

Для первого режима работы (0 < α < 60º) выпрямленное напряжение рассчитывается по формуле (40). Для второго режима работы на интервале 60<  < 120 среднее выпрямленное напряжение равно

. (48)

При расчете и построении регулировочной характеристики необходимо учитывать вид нагрузки выпрямителя.

Коммутационные потери напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе рассчитывают по формуле

. (49)

Внешняя характеристика трехфазного мостового выпрямителя определяется соотношением (29), с учетом соответствующего значения ΔU_dγ

Уравнения внешних характеристик выпрямителей часто выражают в относительных единицах по отношению к U_d0 . В этом случае характеристики описываются выражением:

, (50)

где А – постоянная величина, характеризующая наклон внешней характеристики к оси абсцисс.

Значение постоянной величины А зависит от схемы выпрямления: для двухполупериодных схем А=0,35; для трехфазной нулевой А=0,87; для трехфазной мостовой А=0,5.

Коэффициент мощности выпрямителя рассчитывают по формуле

λ = k· cos φ , (51)

где k – коэффициент искажения формы потребляемого тока, зависящий от схемы выпрямителя и характера нагрузки (например, k = 0,9 – для однофазных двухполупериодных выпрямителей при L_н→ ∞; k = 0,955 – для трехфазного мостового выпрямителя при L_н→ ∞); φ – угол сдвига первой гармоники потребляемого тока относительно напряжения питания, φ ≈ α = γ /2.