5.2. Трехфазные выпрямители

В трехфазном однотактном выпрямителе с активной на­грузкой вентили работают поочередно по 2π/3 периода каждый, если не учитывать влияния на процесс коммутации вентилей индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток трансформатора. В каждый заданный момент време­ни работает вентиль фазы, напряжение которой является наи­большим, так как катоды всех трех вентилей имеют одинако­вый потенциал, практически равный потенциалу анода откры­того вентиля (падением напряжения на вентиле пренебрегаем), по отношению к которому потенциалы анодов двух других вен­тилей отрицательны (рис. 5.2, а).

Точки а, b, с (см. рис. 5.2, б) называют точками естественной коммутации, в них происходит смена проводящих ток венти­лей.

В промежутке времени от а до б работает вентиль V1 фа­зы а, так как напряжение фазы U_а при этом наиболее положительно; в промежутке bс работает вентиль V2 фазы b, так как напряжение U_в становится наиболее положительным, и т. д.

Таким образом, каждый вентиль в условиях естественной коммутации работает в течение 2π/3, или в течение одной трети каждого периода выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

. (5.1)

Коэффициент пульсации:

g= 2/ (km)² -1 =0,25. (5.2)

Однотактные трехфазные выпрямители применяют в вы­прямителях средней мощности. Двухтактный трехфазный выпрямитель, в отличие от однотактного трехфазного выпрямителя, у которого вторичные об­мотки трансформатора можно соединять только в звезду, поз­воляет соединять обмотки трансформатора как в звезду, так и в треугольник.

Рис. 5.2. Принципиальная схема (а) и временные диаграммы (б) трехфазно­го однотактного выпрямителя при работе на активную нагрузку

Это значит, что с помощью одного силового трансформатора, переключая вторичные обмотки со звезды на треугольник, можно получить два выпрямленных напряжения, отличающихся в 1,7 раз (рис. 5.3, а, б). Каждый вентиль работает в течение одной трети каждого периода, но, поскольку четные и нечетные вентили переключаются со сдвигом по фазе, то смена пар вентилей происходит каждую шестую долю периода.

Рис. 5.3. Принципиальная схема (а), временные диаграммы (б) двухтактного трехфазно­го выпрямителя по мостовой схеме Ларионова и принципиальная схема (в), временные диаграммы выпрямителя с уравнительным реактором

При работе выпрямителя на активную нагрузку выпрямлен­ное напряжение

, (5.3)

где U_2Л — линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U_2ф— фазное напряжение вторичной обмотки.

Число фаз выпрямления т = 6, поэтому коэффициент пуль­сации 

m = 2 (σ² - 1) =0,057.

Обратное напряжение U_обр = 1,045 U₀.

Среднее значение тока через вентиль I_ср=I₀/3.

Полная мощность трансформатора P_тр=1,05Р₀.

По всем показателям схема Ларионова превосходит рас­смотренные ранее схемы выпрямления, поэтому она является одной из основных схем для выпрямителей большой мощности.

Для мощных выпрямителей необходимо учитывать индук­тивное сопротивление рассеяния Х_L, которое вызывает уменьше­ние выпрямленного напряжения за счет длительности коммута­ции у, что следует учитывать при проекти­ровании выпрямителей по схеме Ларионова и выбирать для нее силовой трансформатор с возможно меньшим индуктивным сопротивлением рассеяния X_L.

Рассмотрим схему с уравнительным реактором. В ней число фаз выпрямления, так же, как и в схеме Ларионова, m = 6. Схема выпрямителя приведена на рис. 5.3, в. Она представ­ляет собой два трехфазных выпрямителя со средней точкой, работающих параллельно через уравнительный реактор УР на общую нагрузку. Питание схемы осуществляется через трех обмоточный транс­форматор, на каждом стержне которого расположено по две одинаковые вторичные обмотки. При этом в выпрямителе 1 вторичные обмотки подключены к анодам вентилей началами, а в выпрямителе 2 обмотки подключены к анодам вентилей концами. В результате соответствующие фазные напряжения двух вторичных обмоток трансформатора смещены относитель­но друг друга на 180°.

Уравнительный реактор представляет собой катушку с замк­нутым магнитопроводом, имеющую две обмотки (рис. 5.3, в).

Схема с уравнительным реактором имеет ряд достоинств по сравнению с мостовой схемой:

- вдвое меньше среднее значение тока вентилей и меньше его действующее значение;

- более высокий КПД при малых значениях выходных на­пряжений, так как ток протекает последовательно только че­рез один вентиль;

- удобное охлаждение вентилей, которые могут быть установ­лены на один общий охладитель.

Из временной диаграммы видно, что напряжение на нагрузке пульсирует с шестикратной частотой по отношению к частоте сете­вого напряжения.

Среднее значение выходного напряжения

. (5.4)

В результате получаем такое же соотношение, как и для трехфаз­ной схемы с нулевым выводом.

Среднее значение тока нагрузки является суммой средних значе­ний токов каждой составляющей схемы: I_d = I_d1 + I_d2, но каждый вентиль трехфазной схемы проводит ток в течение третьей части периода.

Временные диаграммы тока нагрузки i_d, выходных токов каждого из выпрямителей i_d и i_a, а также ток одного из вентилей i_a показа­ны на рис. 5.4, в, г. Изменение напряжения на уравнительном реакторе и_у и пере­менная составляющая тока (уравнительного тока I_ур) показаны на рис. 5.4, б.

Рис. 5.4. Временные диаграммы токов нагрузки

Как отмечалось выше, напряжение на U_УР является разностью мгновенных значений фазных напряжений (заштрихованные участки на рис. 5.4, а).

Это напряжение изменяется по синусоидальному закону с трехкратной частотой по отношению к питающему напря­жению. Из временных диаграмм следует:

U_УРmax . (5.5)

Под действием этого напряжения протекает уравнительный ток, значение которого ограничено индуктивным сопротивлением реак­тора (на схеме контур этого тока показан стрелками). В контур этого тока не входит нагрузка. Уравнительный ток отстает от напряжения на реакторе на угол π/2 и его амплитуда:

I_УРmax =, (5.6)

где fc — частота питающего (сетевого) напряжения; Х_р— индук­тивное сопротивление УР; L_yp — индуктивность реактора.

Этот ток накладывается на ток вентиля, значение которого опре­деляется током нагрузки, он будет пульсировать на интервале прово­димости вентиля даже при идеальном сглаживании тока нагрузки (рис. 5.4, г).

В первичную обмотку трансформатора трансформируется ток, протекающий через вторичные обмотки, находящиеся на одном и том же стержне магнитопровода. В результате ток вторичной обмотки трансформатора повторяет форму тока вентиля (рис. 5.4, г), тогда как импульс первичного тока состоит из двуполярных импульсов с длительностью каждого из них, равной 2π/3 (рис. 5.4, д).

Расчеты показывают, что типовая мощность УР Р_ур = 0,071 P_d..

Уравнительный реактор обычно располагается в одном кожухе с сете­вым трансформатором, поэтому типовая мощность сетевого транс­форматора Рт совместно с типовой мощностью УР

P_T = (l,26 + 0,071) P_d..

Сравнивая рассматриваемую схему с трехфазной схемой с нуле­вым выводом, можно отметить следующие особенности:

• выходное напряжение имеет шестикратные пульсации, тогда как каждая из составляющих схем работает в трехфазном режиме с дли­тельностью проводящего состояния вентилей X = 120°;

• хорошо используются вентили, так как они проводят ток в тече­ние 1/3 периода;

• хорошо используется трансформатор, так как его типовая мощ­ность близка к единице;

• в трансформаторе отсутствует поток вынужденного намагничи­вания при любом способе соединения первичных обмоток, так как всегда одновременно токи проводят два вентиля, принадлежащие разным фазам, а токи вторичных обмоток, находящихся на одном стержне магнитопровода трансформатора, обтекаются токами в раз­ные стороны, создавая знакопеременный поток, что исключает наличие постоянной составляющей магнитного потока в магнитопроводе трансформатора;

Схема с уравнительным реактором используется в преобра­зователях с большой величиной выходных токов (1000 А и выше).