9.2 Выпрямители трёхфазного тока

Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой (трехфазная нулевая).

К сети трехфазного тока подключен трансформатор Тc, три первичные обмотки которого могут быть соединены в звезду или треугольник, вторичные обмотки только в звезду (рис.9.3, а). Свободные концы а, b, с каждой из фаз вторичной обмотки присоединяются к анодам вентилей VD1, VD2, VD3. Катоды вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R_d, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора - отрицательным полюсом.

Из временной диаграммы на рис.9.3, б видно, что напряжения и_2а, и_2ь и и_2с сдвинуты по фазе на 2 π/3 (град) и в течение 1/3 периода (1/3 Т ) напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора.. Ток через вентиль i_a, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет проходить в течение той трети периода, когда напряжение в данной фазе больше, чем у двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, b и г на рис.9.3,б).

Выпрямленный ток i_d проходит через нагрузку R_d непрерывно (рис.9.3, в).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d в любой момент равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряжение представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений u_2ф.

При изменении вторичного напряжения по закону и₂=U_{макс 2}·sinωt ток каждой из фаз будет являться синусоидальной функцией

( 16)

Рис. 9.3 Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой: а-схема; б-г-диаграммы напряжений и токов на элементах.

Следовательно, анодный ток i_a будет иметь форму прямоугольника с основанием 2 π/3, ограниченного сверху отрезком синусоиды. На рис.9.3, г изображен ток фазы а, токи фаз b и с изображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 2 π /3 относительно друг друга.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе (когда на выходе выпрямителя включен только вольтметр)

U_d0=1,17·U_2ф (17)

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую U_d и наложенную на неё переменную составляющую U_d≈, имеющую трёхкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

(18)

Обратное напряжение u_обр. приложенное к неработающему вентилю, равно междуфазному напряжению вторичных обмоток трансформатора, так как анод закрытого вентиля присоединен к одной из фаз, а катод через работающий вентиль присоединен к другой фазе вторичной обмотки Тс. На рис. 9.3, г показана кривая обратного напряжения u_обр между анодом и катодом вентиля VD1.

Максимальное значение u_обр равно амплитуде междуфазного (линейного) напряжения вторичной обмотки Тc:

В (19)

Ток в нагрузке равен отношению выпрямленного напряжения к сопротивлению нагрузки, т.е. i_d = u_d/R_d. Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

А (20)

Каждый вентиль в данной схеме работает один раз за период в течение 1/3 Т. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, т. е. I_а действ. = 1/3 I_d . Действующее значение токов во вторичной обмотке I₂ и вентиля I_а. _действ в А определяется формулой

(21)

При одинаковом числе фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора

Тc (m₁=т₂) и одинаковых схемах соединения обмоток (звезда-звезда) действующее значение первичного фазного тока I₁ меньше приведенного значения тока I₂^/, так как в кривой тока первичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, которая не трансформируется, т.е.

(22)

Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным обмоткам трансформатора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает во всех трех сердечниках поток Ф_о одного направления, значение которого изменяется с тройной частотой в соответствии с пульсацией анодного тока и который замыкается через воздух и кожух трансформатора. Наличие потока однофазного или вынужденного намагничивания Фо в сердечниках приводит к увеличению намагничивающего тока трансформатора, а также к необходимости увеличения сечения сердечника во избежание его насыщения..

Типовая мощность трансформатора при соединении вторичных обмоток в звезду без учета повышения массы магнитной системы, вызванного наличием потока Фо, равна:

(23)

Трехфазная мостовая система.

Выпрямитель в данной схеме состоит из трансформатора, первичные и вторичные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и шести вентилей, которые могут быть разбиты на две группы (рис. 9.4,а):

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Ординаты кривой u_обр. для вентиля VD1 показаны на рис.9.4,б штриховкой, а на рис.9.4, е кривая и_обр изображена полностью.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле в трехфазной мостовой схеме равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Выпрямленный ток i_d при работе на чисто активную нагрузку полностью повторяет кривую и_d (см. пунктирную кривую на рис. 9.4,в).

Соотношения между напряжениями и токами в трехфазной мостовой схеме приведены в таблице 1.

Рис. 9.4. Трёхфазная мостовая схема выпрямителя (схема Ларионова).

а–соединение элементов; б-е диаграммы напряжений и токов.