2. Выпрямители

Основным назначением выпрямителей является преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий выпрямленный) ток. В общем случае выпрямитель состоит из силового трансформатора, группы вентилей ( диодов, тиристоров или транзисторов), сглаживающего фильтра и устройств управления и защиты. Неуправляемые выпрямители не имеют устройств управления и выполняются с использованием диодов. Регулирование напряжение на выходе выпрямителей осуществляется в управляемых выпрямителях либо переключая витки силового трансформатора, либо используя в выпрямителе тиристоры или транзисторы.

В силовой электронике в основном используют выпрямители, работающие от трехфазной сети переменного тока частотой 50 Гц. Выпрямленное напряжение не является идеальным. Оно имеет определенное число пульсаций за период питающего напряжения. Выпрямители трехфазного напряжения можно выполнить с различным числом пульсаций. Применяются трехпульсовые (q=3), шестипульсовые (q=6), двенадцатипульсовые (q=12) выпрямители. Могут и изменятся выпрямители и с большим числом пульсаций(q=18;24).

Различают нулевые и мостовые схемы выпрямителей. В нулевых схемах нагрузка включается между выведенной нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора и общей катодной или анодной точкой вентильной группы. Нулевые схемы иначе называют однополупериодными (или однотактными), так как ток по вторичным обмоткам протекает в течение одного полупериода напряжения сети. В мостовых схемах нагрузка включается между общими точками анодной и катодной группы вентилей. Вторичная обмотка не имеет вывода нулевой точки, а вентили парами подсоединяются к выводам фаз вторичной обмотки: один - катодом, другой - анодом. Мостовые схемы называют двухполупериодными (двухтактными), так как ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает в течение каждого полупериода, т.е. обмотка нагружается в каждом периоде в обоих направлениях.

2.1 Неуправляемые выпрямители

2.1.1 Нулевые схемы выпрямителей

Схема нулевой трехпульсовой схемы приведена на рис. 2.1а. Схема состоит из трехфазного силового трансформатора, с выведенной нулевой точкой вторичной обмотки, диодов, аноды которых соединяются со вторичными обмотками, а катоды соединяются вместе. При таком включении напряжение на нагрузке положительно относительно нулевой точки, при инверсном включении диодов - отрицательно.

В рассматриваемой схеме в каждый момент времени ток нагрузки протекает через один диод, потенциал анода которого максимален относительно нулевой точки (рис.2.1б). Каждый диод на интервале одного периода проводит ток электрических градусов. Напряжение на нагрузке практически равно напряжению фазы А (на интервале 1-2), фазы В (на интервале 2-3) и фазы С (на интервале 3-4), т.е. является по форме огибающей трехфазную систему напряжений.

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

где -действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки.

Средний ток диода:

Обратное напряжение диода определяется линейным напряжением:

Действующее значение тока вторичных обмоток:

а ток первичных обмоток (с учетом того, что постоянная составляющая тока вторичных обмоток не трансформируется в первичную):

Типовая мощность трансформатора:

Основная гармоника переменной составляющей напряжения на нагрузке имеет частоту Гц, амплитуда основной гармоники равна , т.е.

Постоянные составляющие токов вторичных обмоток в каждом из стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора. Для предотвращения насыщения магнитопровода необходимо увеличивать размеры трансформатора.

Нулевая шестипульсовая схема содержит трансформатор, вторичные обмотки которого образуют две трехфазные системы, сдвинутые по фазе на 180 эл.град. (рис.2.2а). Вторичные обмотки соединены в звезду, в результате две системы образую симметричную шестифазную систему переменного тока (рис.2.2б). К выводам вторичных обмоток присоединяются диоды, объединенная катодная группа образуют положительный полюс выпрямителя, а объединенная нулевая точка вторичных обмоток – отрицательный полюс.

Возможны две модификации нулевой шестипульсовой схемы: без уравнительного реактора, когда нулевые точки вторичных обмоток соединяются непосредственно; с уравнительным реактором, когда нулевые точки соединяется через однофазный реактор с выведенной средней точкой (рис.2.3а).

При отсутствии уравнительного реактора ток нагрузки проходит через тот диод, потенциал анода которого максимален. Кривая выпрямленного напряжения формируется вершинами фазных напряжений вторичных обмоток и имеет шесть пульсаций за один период напряжения сети. Через диоды и вторичные обмотки проходит ток нагрузки в течение интервала эл.град. В каждый момент времени ток протекает только в одной фазной обмотке одной звезды, а в первичной обмотке ток замыкается по двум фазным обмоткам. В результате на стержнях магнитопровода трансформатора нет баланса намагничивающих сил. Поток вынужденного намагничивания изменяется с тройной частотой, вызывая дополнительные потери от вихревых токов. Вследствие этого нулевая шестипульсовая схема без уравнительного реактора не используется.

В схеме с уравнительным реактором обеспечивается одновременная работа обеих звезд в результате выравнивания потенциалов на анодах двух диодов: по одному в каждой звезде. Выравнивание потенциалов достигается тем, что в контуре, образованном двумя обмотками разных звезд и уравнительным реактором, возникает ток, совпадающий по направлению с током выходящего их работы диода и противоположный для вступающего в работу диода (рис.2.3б). Напряжение на выводах реактора относительно средней точки равны по величине и противоположны по фазе и в результате суммирования с соответствующими фазными напряжениями выравнивают потенциалы анодов двух диодов в разных звездах и они проводят ток одновременно. Диоды проводят ток на интервале эл.град., и имеют амплитуду . Одновременно ток проводят вторичные обмотки обеих звезд ( это устранят дисбаланс намагничивающих сил и поток вынужденного намагничивания). Напряжение на реакторе имеет треугольную форму и изменяется с утроенной частотой сети. Ток в контуре реактора отстает на 90 эл.град. и имеет практически синусоидальную форму. Этот ток составляет 1-2% от номинального тока нагрузки, вследствие этого токи в фазах трансформатора имеют форму, немного отличающуюся от прямоугольной.

При малых токах нагрузки схема с уравнительным реактором переходит в режим работы без уравнительного реактора. Поэтому напряжение холостого хода выпрямителя такое же, как и для схемы без уравнительного реактора:

;

а при токах больше (0,02 0,03) :

;

средний ток диода:

;

обратное напряжение диода:

;

действующее значение тока вторичных обмоток:

;

действующее значение тока первичной обмотки:

;

типовая мощность трансформатора:

.

Частота пульсаций основной гармоники напряжения на нагрузке равна Гц, амплитуда основной гармоники равна , т.е. %.