3.4.3. Трехфазные выпрямители

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

Схема с нейтральным выводом изображена на рис.3.14,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.3.14,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.3.15,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.3.15,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.

3.4.4. Управляемые выпрямители

Регулирование величины выпрямленного напряжения может быть осуществлено различными приемами.

1. На стороне переменного тока: изменением подводимого к первичной обмотке трансформатора напряжения; использованием дросселей насыщения; включением тиристоров в первичную обмотку трансформатора.

2. На стороне постоянного тока: при помощи реостата или потенциометра; широтно-импульсным регулированием постоянного напряжения.

3. Путем управляемого выпрямления т.е. путем изменения параметров вентилей, входящих непосредственно в выпрямитель.

Выпрямители, использующие последний из перечисленных принципов регулирования принято называть управляемыми выпрямителями. Управление выпрямленным напряжением в управляемых выпрямителях сводится к регулированию момента включения тиристоров. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Данный сдвиг фаз называют углом регулирования или управления α.

Схема простейшего однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис.3.16,а. Принцип работы схемы иллюстрируют графики на рис.3.16,б, они соответствуют активной нагрузке. Напряжение на нагрузке представляет собой кусочно-синусоидальные однополярные импульсы (заштрихованные участки синусоид). При изменении угла регулирования меняется площадь заштрихованных участков и, следовательно, среднее напряжение на нагрузке. Зависимость среднего выпрямленного напряжения от угла регулирования назы­вают характеристикой регулирования

U_ср = U_ср0(1+cosα)/2,

где: U_ср0 - среднее выпрямленное напряжение при угле регулирования равном нулю.

Практическое применение находят однофазные мостовые выпрямители, схемы некоторых из них представлены на рис.3.17,а и рис.3.17,б. Как видно из рисунка выпрямитель может быть симметричным,

т.е. исполь­зуется четыре тиристора, или несимметричным - два тиристора, два диода.

Для мощных потребителей регулируемого постоянного тока применяют трехфазные управляемые выпрямители, схемы включения вентилей кото­рых аналогичны тем, что применяются в неуправляемых выпрямителях и рассмотрены ранее. В трехфазных мостовых схемах также возможно симметричное (шесть тиристоров) или несимметричное (три тиристора, три диода) исполнение.

На рис.3.18,а представлена схема трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом и активной нагрузкой. На рис.3.18,б изображены диаграммы, иллюстрирующие принцип действия выпрямителя. Графики соответствуют двум различным углам регулирования, первый график показывает режим непрерывных токов, второй - прерывистых. Границей раздела этих режимов является угол регулирования равный π/6. При активно-индуктивной нагрузке схема также может работать в двух режимах. Прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от диапазона изменения угла регулирования, но и от соотношения параметров нагрузки R_н и L_н. Для ωL_н/R_н > 10 без больших погрешностей можно считать ток нагрузки идеально сглаженным. Среднее значение напряжения для режима непрерывного тока

U_ср(α) = U_ср0∙cosα.

Управление тиристорами в рассматриваемых схемах осуществляется путем подачи управляющего сигнала на управляющий электрод тиристора. Оптимальной формой управляющего сигнала является прямоугольный импульс малой длительности, или импульс с крутым передним фронтом. Такая форма позволяет уменьшить нагрев управляющего электрода в тиристоре, а также обеспечить его четкое отпирание. Для создания управляющих импульсов подобной формы, а также для получения необходимого фазового сдвига между управляющим сигналом и анодным напряжением тиристора применяют специальные устройства, называемые системами управления.

Система управления в общем случае содержит три функциональных узла:

1 - входное устройство, функция которого состоит в суммировании и усилении входных сигналов, а также в преобразовании сигнала в величину, удобную для управления фазосдвигающим устройством;

2 - фазосдвигающее устройство, смещающее во времени импульсы управления на угол α по отношению к положительным значениям анодного напряжения на вентиле;

3 - формирователь, генерирует импульсы, которые поступают в цепь управления вентиля.

Для управляемых выпрямителей закономерность изменения внешней характеристики зависит от величины угла регулирования. Поэтому для таких выпрямителей обычно строят семейство характеристик при различных углах регулирования.

Управляемые выпрямители на тиристорах являются практически безинерционными, позволяют регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах, дают возможность построить замкнутую систему автоматического регулирования напряжения и обходиться без специальных стабилизаторов напряжения. Вместе с тем, управляемые выпрямители на тиристорах существенно искажают форму тока и напряжения на нагрузке, вентилях и трансформаторе и являются источниками высших гармоник напряжения в электрических сетях. Последнее обстоятельство может приводить к сбоям электронной аппаратуры, работающей в одной сети с тиристорными преобразователями.