Многофазные выпрямители

Многофазные выпрямители применяются, как правило, только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.

Трехфазный выпрямитель

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения

Ф_А, Ф_С, Ф_В – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.

U _da, U_db, U_dc - напряжение на нагрузке, получаемое с соответствующего вентиля.

U_н – суммарное напряжение на нагрузке.

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Достоинства: Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки: Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления, низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

Схема Ларионова

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке 10.

Рисунок 10 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения

Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.

Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.

Недостатки: Увеличенное количество вентилей. Выпрямитель также не может быть применен для работы в однофазной бытовой сети.

Таблица 2 – Свойства трехфазных схем выпрямления

Сглаживающие фильтры выпрямителей

Назначение и классификация фильтров

Сглаживающий фильтр предназначен для умень­шения пульсаций выпрямленного напряжения.

Анализ работы различных схем выпрямления показал, что коэффициент пульсаций имеет значительную величину: для двух­фазной однотактной (двух полупериодной) и однофазной двухтакт­ной (мостовой) схем - 67%, для трехфазной - 25%, для шестифазной - 5,7%. В то же время при питании усилительной аппа­ратуры, в радиотехнике и телевидении пульсации, как правило, не должны превышать десятых и сотых долей процента, так как переменная составляющая выпрямленного нап­ряжения вызывает помехи в работе электронной аппаратуры, фон переменного тока. В звуковоспроизводящей аппаратуре фон переменного тока проявляется в гудении громко­говорителей на частоте пульсации

Включение сглаживающего фильтра между выпрямителем и потребителем энергии (рис. 11) значительно уменьшает перемен­ную составляющую выпрямленного напряжения.

Качество сглаживающего фильтра (СФ) характеризуется следующими величинами:

Коэффициентом сглажи­вания-

э то вели­чина, показывающая, во сколько раз коэффициент пульсаций вып­рямленного напряжения на выходе фильтра меньше, чем на его входе. Коэффициент сглаживания может быть выра­жен как

В общем случае сопротивление последовательно включенного элемента фильтра для постоянного тока не равно нулю, поэтому фильтр уменьшает не только переменную, но и постоянную со­ставляющую напряжения. Однако чаще всего уменьшение постоян­ной составляющей настолько незначительно, что можно считать средние значения напряжения до и после фильтра равными:

Тогда коэффициент сглаживания можно определять с доста­точной точностью, как отношение амплитуд переменных составля­ющих на входе и выходе фильтра:

Коэффициентом фильтрации Ф -

это величина, показывающая, во сколько раз фильтр ослабляет переменную составляющую выпрямленного напряжения.

По частотному составу различают:

- низкочастотную пульсацию (<300Гц)

- высокочастотную пульсацию (>300Гц).

Классификация фильтров

Звено фильтра в общем случае содержит последовательно и параллельно включенные элементы.

Последовательно с потребителем включаются элементы, ко­торые обладают большим сопротивлением для переменной состав­ляющей и малым сопротивлением для постоянной составляющей тока, а параллельно потребителю включаются элементы, имею­щие, наоборот, малое сопротивление для переменной составляющей тока и большое - для постоянной.

В качестве последовательных элементов фильтра применяются индуктивности, активные сопротивления, параллельные резо­нансные контуры, а также транзисторы.

Параллельными элементами фильтра служат емкости и после­довательные резонансные контуры.

Звено фильтра, содержащее один последовательный элемент (Z₁) и один параллельный (Z₂), называется Г-образным;

звено фильтра, содержащее два параллельных элемента (Z₀) и (Z₂) и включенный между ними последовательный элемент (Z₁), называется П-образным (рис 12).

Рисунок 12- Г-образный и П-образный фильтры

Если одно звено недостаточно сглаживает пульсации или для получения требуемого коэффициента сглаживания элементы фильт­ра должны быть слишком громоздкими, применяется последова­тельное соединение нескольких звеньев. Многозвенные фильтры составляют из одинаковых или разных звеньев.

Таким образом, фильтры классифицируют по следующим признакам:

по количеству звеньев: однозвенные фильтры; двух-, трех- и многозвенные фильтры;

по схеме построения звена: Г-образные фильтры; П-образные фильтры;

3) по типу применяемых элементов: индуктивно-емкостные, реостатно-емкостные, резонансные и транзисторные. Кроме того, используются компенсационные фильтры. Их принцип действия основан на том, что в схему вводится перемен­ное напряжение (с частотой пульсаций), почти равное по величи­не и противоположное по фазе переменной составляющей выпрям­ленного напряжения, так что происходит компенсация пульса­ций.

Требования к фильтрам

При выборе и расчете элементов фильт­ра следует учитывать, что фильтр не только сглаживает пульса­ции, но оказывает влияние на работу выпрямителя и потребителя. От характера реакции первого элемента фильтра (индуктивный или емкостный) зависит режим работы вентиля и трансформатора и внешняя характеристика выпрямителя. Элементы фильтра вып­рямителя, питающего усилители низкой частоты, входят в цепи звуковой частоты и могут вносить частотные искажения. Переход­ные процессы в фильтре могут искажать форму кривой сигнала.

При питании всех каскадов усилителя от общего выпрямителя фильтр влияет на устойчивость усилителя (возможно возникнове­ние генерации на низкой частоте из-за паразитной связи через ис­точник питания.

Поэтому фильтр рассчитывается как из условий требуемого сгла­живания пульсаций, так и из условий внесения минимальных искажений в работу потребителя.

Основные требования к фильтрам заключаются в следующем:

1) фильтр должен иметь коэффициент сглаживания, обеспечивающий нормальную работу потребителя:

где є₀ — коэффициент пульсаций, определяемый при расчете вып­рямителя, зависит от схемы выпрямления и характера первого элемента фильтра, а є _доп— допустимый коэффициент пульсаций напряжения, подводимого к потреби­телю;

2) падение напряжения, созданное постоянной составляющей тока на фильтре, должно быть минимальным;

3) фильтр не должен вносить искажений в рабо­ту потребителя;

4) детали фильтра дол­жны быть надежными в эк­сплуатации и иметь запас электрической прочности;

5) вес и размеры дета­лей фильтра должны быть минимальными.

Минимизация сводится к минимизации суммарной ёмкости и индуктивности.