1.3. Трехфазные выпрямители

Схемы выпрямителей трехфазного тока применяются в основном для потребителей средней и большой мощности.

Схема с нейтральным выводом изображена на рис.1.4,а. Она состоит из трехфазного трансформатора с выводом нейтральной точки вторичной обмотки, трех вентилей, включенных в каждую из фаз, и нагрузочного резистора R_н.

Временные диаграммы работы схемы показаны на рис.1.4,б. Как вид­но из рисунка, вентили работают поочередно, каждый в течение одной трети периода, когда потенциал анода работающего вентиля более по­ложителен, чем потенциалы анодов двух других вентилей. Выпрямленный ток резистора R_н, создаваемый токами каждого вентиля, имеет одно направление и равен сумме токов каждой из фаз.

Среднее значение выпрямленного напряжения

U_ср = 1,17·U_2ф.

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде ли­нейного напряжения или

U_обр.m = 2,09·U_ср.

Средний ток через вентиль равен одной третьей тока нагрузки

I_а.ср = I_ср/3.

Ток нагрузки в данной схеме имеет значительно меньше пульсаций, чем в однофазных выпрямителях. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме составляет 0,25.

Мостовая схема изображена на рис.1.5,а, она предложена в 1923 году А.Н.Ларионовым. В этом выпрямителе первичную и вторичную об­мотки трансформатора можно соединять как звездой, так и треугольни­ком.

В схеме последовательно соединены две трехфазные выпрямительные группы: анодная V₁,V₃,V₅ и катодная V₂,V₄,V₆. Каждая из групп пов­торяет работу трехфазной схемы с нулевым выводом. В мостовой схеме ток одновременно пропускают два вентиля: один - с наиболее высоким потенциалом анода из катодной группы вентилей, а другой - с наибо­лее низким потенциалом катода из анодной группы вентилей. Так, например, в интервале t₁ - t₂ (рис.1.5,б) ток пропускают вентили V₂ и V₃, в интервале t₂ - t₃ - вентили V₂ и V₅. Как видно из графиков, выпрямленное напряжение имеет шестифазные пульсации, хотя продолжи­тельность работы каждого вентиля осталась такая же, как и в трех­фазной схеме с нулевым выводом. Коэффициент пульсаций для первой гармоники в данной схеме равен 0,057. Среднее значение тока через вентиль и величина максимального обратного напряжения получаются такими же, как и в предыдущей схеме. При одинаковом значении фазно­го напряжения вторичной обмотки трансформатора, данная схема имеет среднее выпрямленное напряжения в два раза больше, чем предыдущая схема

U_ср = 2,34·U_2ф.

Сравнение однофазных и трехфазных выпрямителей показывает, что трехфазные выпрямители равномерно нагружают сеть и дают значительно меньше пульсаций выпрямленного напряжения. Предпочтение обычно от­дается мостовой схеме, несмотря на большее число вентилей. Это выз­вано отсутствием подмагничивания сердечника трансформатора постоян­ным током и значительно меньшими пульсациями выпрямленного напряже­ния. Последнее позволяет отказаться от сглаживающих фильтров.

1.4. Сглаживающие фильтры

Кривая выпрямленного напряжения, образованная из положительных участков синусоид, содержит постоянную и переменную составляющие.

Полезный эффект у большинства потребителей постоянного тока соз­дают только постоянные составляющие напряжения и тока. Переменные же составляющие, образующие пульсации, приводят обычно к бесполез­ной затрате мощности, а иногда и к помехам. Поэтому стремятся по возможности ограничить пульсации в кривой напряжения на зажимах нагрузочной цепи. Это достигается включением между выпрямителем и нагрузкой дополнительного звена, выполняющего функцию сглаживающего фильтра.

Сглаживающее действие фильтра обычно оценивают по величине коэф­фициента сглаживания, который, как правило, определяется для первой гармоники выпрямленного напряжения. Коэффициентом сглаживания при­нято считать отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра К_п1 к коэффициенту пульсаций на его выходе К_п2 для первой гармоники:

К_сг = К_п1/К_п2.

Здесь коэффициент пульсаций есть отношение амплитуды первой гар­моники выпрямленного напряжения к его постоянной составляющей.

Емкостный фильтр, содержащий емкость, включенную параллельно к сопротивлению нагрузки, является одним из простейших. Его схема и диаграмма работы изображены на рис.1.6,а и рис.1.6,б.

Включение конденсатора существенно изменяет условие работы дио­да. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации если его емкость тако­ва, что выполняется условие

ωС >> 1/R_н

Во время некоторой части положительного полупериода, когда нап­ряжение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий кон­денсатор до напряжения близкого к максимальному. В то время, когда ток через диод не проходит, конденсатор разряжается через нагрузку R_н и создает на ней напряжение, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает.

Заряд конденсатора через сравнительно малое сопротивление диода происходит быстро. Разряд на большое сопротивление нагрузки совер­шается значительно медленнее. Вследствие этого напряжение на кон­денсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пульсирует незначи­тельно. Кроме того, конденсатор резко повышает постоянную составля­ющую выпрямленного напряжения. Например, в однофазном однополупери­одном выпрямителе емкостный фильтр может повысить среднее выпрям­ленное напряжение примерно в три раза. При использовании емкостных фильтров следует иметь в виду, что импульсы тока при открытом вен­тиле определяются сопротивлениями вентиля и вторичной обмотки трансформатора и могут достигать значительной величины. Это может вывести вентиль из строя. Для ограничения величины тока через вентиль последовательно с ним может быть включено добавочное сопротив­ление.

Индуктивный фильтр состоит из катушки индуктивности, которую включают последовательно с нагрузочным сопротивлением. Его схема и диаграмма работы представлены на рис.1.6,в и рис.1.6,г. При доста­точной величине индуктивности на индуктивном сопротивлении X_l теря­ется большая часть переменной составляющей выпрямленного напряже­ния. На нагрузочном резисторе возникает непрерывный ток, коэффици­ент пульсаций при этом значительно уменьшается. Эффективность филь­тра обеспечивается, если выполняется условие

ωL >> R_н.

В выпрямителях с индуктивным фильтром нет таких скачков тока че­рез вентиль как при использовании емкостного фильтра, однако появ­ляется опасность выхода вентиля из строя за счет высокого обратного напряжения при малых токах нагрузки.

Следует отметить, что индуктивный фильтр более эффективно рабо­тает в двухполупериодных схемах выпрямления, а в однополупериодных выпрямителях практически не применяется.

Г-образный фильтр бывает двух типов: LC-фильтр и RC-фильтр. Схе­ма фильтра приведена на рис.1.6,д. Емкость С включается параллельно с нагрузкой, а индуктивность L или резистор R - последовательно.

Эти фильтры являются более сложными, обладают положительными ка­чествами как емкостных, так и индуктивных фильтров и обеспечивают большее сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с ними.

Г-образный фильтр действует достаточно эффективно в цепях как с большими , так и с малыми токами нагрузки, поскольку через индук­тивность L проходит и емкостная составляющая тока, повышающая паде­ние напряжения на индуктивном сопротивлении.

Резистор ставится вместо индуктивности обычно в маломощных вып­рямителях. В таком фильтре при Xс << R на резисторе R создается значительно большее падение напряжения от переменной составляющей выпрямленного тока, чем от постоянной. Обычно для RC-фильтра выпол­няется соотношение

R_н/(R_н + R) = 0,5 ÷ 0,9.

В тех случаях, когда Г-образный фильтр не обеспечивает требую­щейся степени сглаживания пульсаций, фильтр дополняется еще одной емкостью (рис.1.6,е). Такая схема называется П-образным фильтром. Это простейший многозвенный фильтр, состоящий из емкостного фильтра и Г-образного фильтра. В общем случае коэффициент сглаживания мно­гозвенного фильтра определяется как произведение коэффициентов сглаживания его звеньев.