1.2. Неуправляемые выпрямители трехфазного тока

За исключением случаев, когда единственно возможным источником питания является сеть однофазного переменного тока, питание постоянным током потребителей средней и большей мощности производится от трехфазных выпрямителей. При выпрямлении трехфазного переменного тока достигается лучшее качество выпрямленного напряжения за счет снижения амплитуды пульсаций. Напряжение трехфазных выпрямителей легче подвергается сглаживанию, так как частота пульсаций здесь существенно выше, чем в однофазных выпрямителях. Облегчающим фактором в построении выпрямительных установок рассматриваемого диапазона мощностей служит и меньшая загрузка вентилей трехфазных схем по току и напряжению. Из выпрямителей трехфазного тока находят применение две основные схемы выпрямления – трехфазная с нулевым выводом и трехфазная мостовая.

Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом обмотки трансформатора

В схему трехфазного неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и нулевому выводу вторичных обмоток. Принцип действия иллюстрируется временными диаграммами

на рис.1.5. На рис. 1.5 б показана трехфазная система вторичных напряжений трансформатора относительно нулевой точки (фазные напряжения Е_2а, Е_2в, Е_2с). В силу того, что нагрузка подключена к нулевому выводу вторичных обмоток и общей точке соединения катодов вентилей, последние способны проводить ток только при положительной полярности вторичных напряжений.

Рис. 1.5. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная обмотка соединена в треугольник

Однако в открытом состоянии может находиться только тот из вентилей, для которого фазное напряжение по отношению катода выше, чем у двух других. Каждый из непроводящих вентилей будет заперт обратным напряжением, равным разности напряжений его фазы и фазы проводящего вентиля. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет угол равный 2/3. Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате на ней действует однополярное пульсирующее напряжение Ud, представляющее собой участки фазных напряжений Еа, Ев, Ес (рис.1.5 б, в).

При чисто активной нагрузке кривая ее тока Id=Ud/Rd имеет ту же форму, что и напряжение, Ud (рис. 1.5, в). Указанной очередности отпирания вентилей соответствуют кривые анодных токов, показанные на рис.1.5, в.

Среднее значение выпрямленного напряжения находят по площади анодных напряжений на рис. 1.5, в

(1.32)

где — действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Из рис.1.5 находим

(1.33)

Среднее (за период) значение тока через вентиль будет равно

(1.34)

Максимальное значение тока через вентиль связано со средним значениемId

(1.35)

Обратное напряжение на вентиле в данной схеме определяется междуфазным линейным напряжением вторичных обмоток, поскольку неработающий вентиль присоединен анодом к одной из фаз, а катодом через другой работающий вентиль к другой фазе, вторичной обмотке трансформатора. Мгновенное значение междуфазного напряжения соответствует ординатам заштрихованной площади на рис. 1.5,б. По ним построена линейная диаграмма обратного напряжения на вентиле (рис. 1.5,г).

Максимум обратного напряжения равен амплитуде междуфазного напряжения

(1.36)

По выражениям (1.34), (1.35) и (1.36) выбирается вентиль.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки определяется по выражению (1.34). Действующее значение тока в этой обмотке можно подсчитать, пренебрегая пульсациями тока (что не вносит заметной ошибки), т.е. в предположении, что ток вентиля, а следовательно, и ток вторичной обмотки трансформатора изменяется по прямоугольнику с высотой Id.

Тогда

. (1.37)

Действующее значение тока превосходит среднее значение этого тока в раз.

При рассмотрении первичных токов необходимо учитывать схему соединения первичной обмотки.

При соединении первичной обмотки в звезду

При соединении первичной обмотки в звезду (рис. 1.6, а.) закономерность получается несколько иной в силу того, что ток, проходящий по одной фазе, связан через нулевую точку с токами в других фазах.

Рис.1.6. Характеристики выпрямителя трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная обмотка соединена в звезду

Действительно, в каждый момент токи в узле (нулевой точке) связаны уравнением

, (1.38)

из которого следует, что ток одной из фаз по необходимости вызывает токи и в других фазах первичной обмотки, хотя вторичные обмотки этих фаз токов не пропускают.

Для того, чтобы найти токораспределение в первичных обмотках при протекании тока в одной из вторичных обмоток, воспользуемся дополнительно к (1.38) уравнениями , характеризующими баланс магнитодвижущих сил (МДС) по замкнутым магнитным контурам, или уравнениями для токов, характеризующими эти МДС при равенстве чисел витков.

Так, начиная рассмотрение с той трети периода, когда ток проходит по фазе вторичной обмотки а, как это показано на рис. 1.6,а, обходя один раз по магнитному контуру, включающему сердечник А и В, а в другом случае по контуру, включающему сердечник В и С, при равенстве числа витков можем получить два уравнения для витков

(1.39)

Совместное решение (1.38) и (1.39) для рассматриваемой трети периода дает токи в фазах первичной обмотки

(1.40)

Из (1.39) следует, что первичная обмотка, соответствующая нагруженной вторичной обмотке, пропускает в положительном направлении 2/3 нагрузочного тока (приведенного к первичной обмотке), в то время как две другие фазы пропускают в отрицательном направлении в рассматриваемую 1/3 периода по 1/3 от нагрузочного тока (рис. 1.6,б). В следующие две трети периода токораспределение повторяется для двух других фаз. Изменение первичных токов в фазах А и В изображены на (рис.1.6,в и г).

Найденное токораспределение сказывается на потокораспределении в магнитной системе трансформатора. При прохождении тока на первом сердечнике получается небаланс в 1/3 от полной МДС, причем избыточная МДС создается током вторичной обмотки. На двух других сердечниках в эту же треть периода также создается небаланс в 1/3 от полной МДС. В следующей 2/3 периода нескомпенсированность повторяется за счет токов в фазах В и С.

При соединении первичной обмотки в треугольник

Рис.1.7. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом, когда первичная

обмотка соединена в треугольник

Ток в каждой из фаз этой обмотки может протекать независимо от токов в других фазах (рис. 1.7, а), первичный ток может быть определен, исходя из принципа, который был установлен для однополупериодного выпрямления (рис. 1.2), т.е. путем исключения постоянной составляющей из полного тока, проходящего через вентиль (предполагается, что трехфазный нулевой выпрямитель состоит из трех однополупериодных однофазных преобразователей).

Это приводит к диаграмме первичного тока (рис. 1.7, д,е,ж), построенной по диаграмме вентильного тока путем перенесения оси кривой тока на величину постоянной составляющей

Нескомпенсированные МДС создают в каждую треть периода однонаправленный во всех трех сердечниках магнитный поток (рис. 1.7,д,е). Этот поток замыкается от ярма к ярму через воздух и кожух трансформатора. Однонаправленный поток появляется при любом соединении первичной обмотки. Разница заключается в том, что при соединении обмотки в треугольник этот поток неизменен во времени, так как не скомпенсированными оказываются только постоянные составляющие токов во вторичных обмотках, а при соединении первичной обмотки в звезду однонаправленный поток пульсирует так же, как и анодные токи, поскольку пульсации тока также нескомпенсированы полностью на сердечниках. Пульсации потока имеют трехкратную частоту. Наличие однонаправленного потока в сердечниках приводит к необходимости увеличения сечений этих сердечников.

Действующее значение первичного фазового тока определяется, исходя из прямоугольной кривой этого тока. Для обеих схем получаем

(1.41)

При треугольнике нужно знать значение линейного тока. Кривая этого тока построена на рис. 1.7,з по разности токов в фазах А и В (рис. 1.7,е,ж).

При пренебрежении пульсациями действующее значение линейного тока равно

(1.42)

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

(1.43)