3.6 Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом.
Трехфазная схема выпрямления с выводом нулевой точки применяется довольно редко, так как трансформатор в ней используется плохо, и вентили должны выбираться на относительно высокое обратное напряжение. Но так как трехфазная мостовая схема, получившая преимущественное применение, состоит из двух последовательно включенных трехфазных нулевых схем, то необходимо рассмотреть принцип действия этой схемы.
В схему выпрямителя с нулевым выводом (рис. 3.22, а) входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными в звезду. Первичные обмотки соединяются в звезду или треугольник. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и нулевому выводу вторичных
Рис. 3.22. Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом (трехпульсная)(a) и временные диаграммы (б - ж)
обмоток. Принцип действия схемы рассмотрим с помощью временных диаграмм (рис. 3.22, 6-ж) при чисто активной нагрузке.
Так же как и в предыдущих случаях, выпрямитель считаем идеальным.
В силу того, что
нагрузка подключена к нулевому выводу
вторичных обмоток трансформатора и
общей точке соединения катодов вентилей,
последние способны проводить ток только
при положительной полярности вторичных
напряжений. При этом в открытом с
остоянии
может находиться только вентиль,
включенный в ту фазу, напряжение которой
выше, чем у двух других. Каждый из
непроводящих вентилей заперт обратным
напряжением, равным разности напряжений
его фазы и фазы проводящего вентиля.
На интервале 1– 2 открыт вентиль V1, на интервале 2 – 3 вентиль V2, на интервале 3 – 4 – вентиль V3, на интервале 4 – 5 – вновь вентиль V1 и т.д. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 2/3. В результате на нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение ud. При чисто активной нагрузке кривая ее тока id =Ud /R имеет ту же форму, что и напряжение ud (рис. 3.22, в). Указанной очередности отпирания вентилей соответствуют кривые анодных токов, показанные на рис. 3.24, г– е.
Необходимо отметить, что трехфазный выпрямитель с нулевым диодом иногда называется трехпульсной схемой (р = 3).
Среднее значение выпрямленного напряжения (площадь заштрихованного участка на рис.3.22, в):
(3.52)
где U2 – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Средний ток вентилей IV связан со средним значением тока нагрузки Id соотношением
IV = Id / 3 (3.53)
На рис. 3.22, ж построена кривая обратного напряжения на вентиле V1, Обратное напряжение представляет разность между потенциалами анода и катода. Изменение потенциала анода вентиля V1 определяется фазным напряжением ua, а катода – фазным напряжением ub при проводящем вентиле V2 или фазным напряжением uc, при открытом вентиле V3. Напряжение URRM, по существу, состоит из участков кривых линейных напряжений uab и uca , в связи с чем необходимое для выбора вентиля максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения:
(3.54)
Токи вторичных обмоток трансформатора i2a , i2b, i2c определяются соответствующими токами вентилей. Кривые анодных токов (рис. 3.22,г – е) содержат постоянную составляющую, равную Id /3, которая протекает и через вторичные обмотки трансформатора, создавая в каждом из трех стержней магнитопровода поток вынужденного подмагничивания трансформатора одного направления. Этот поток замыкается от одного ярма к другому через воздух, детали крепления магнитопровода и через бак (в масляных трансформаторах). В этом случае во избежание насыщения магнитопровода приходится увеличивать его сечение, что влечет за собой увеличение массо-габаритных показателей трансформатора и всей выпрямительной установки.
П
оток
вынужденного подмагничивания может
быть исключен введением дополнительных
обмоток на вторичной стороне и соединением
вторичных обмоток зигзагом, что показано
на рис. 3.23.
Рис .3.23. Соединение обмоток трансформатора по схеме «звезда – зигзаг»
При этом токи вентилей протекают через обмотки, расположенные на одном стержне, в противоположном направлении, и постоянные составляющие компенсируются.
В выпрямленном напряжении содержатся гармонические составляющие порядков =3, 6, 9.... Напряжение пульсации составляет Uq = 0, 19Udi 0 .
В случае применения управляемого выпрямителя переменное напряжение например ua определяет кривую выпрямленного напряжения лишь с момента = когда на вентиль V1 подается импульс управления. Будем считать, что индуктивность сглаживающего реактора Ld достаточно велика и поэтому выпрямленный ток непрерывен и имеет постоянное значение Ld.
В этом случае временные диаграммы при = 0 и 0 имеют вид, представленный на рис. 3.26, а, б. Кривая выпрямленного тока id =Id состоит из импульсов прямого тока трех вентилей iV1 , iV2 , iV3 . Коммутация тока происходит с вентиля V1 на V2 и с V2 на V3 при = 0 в моменты времени = 0; 2/3; 4/3 , а для случая 0 в моменты = ; 2/3+; 4/3+. Поэтому токи вентилей при идеальном сглаживании независимо от угла имеют прямоугольную форму и длительность = 2/3.
Рис.3.24. Временные диаграммы работы трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом
при =0 (а) и 0 (б)
Рис.3.25. Регулировочная характеристика трехфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом
Среднее значение выпрямленного напряжения при регулировании определяется равенством (3.18) и регулировочной характеристикой, приведенной на рис. 3.25.
Как видно из рис. 3.24, б и 3.25 при > /6 резче увеличиваются пульсации выпрямленного напряжения. При добавлении в схему шунтирующего (нулевого) диода их можно уменьшить, что позволяет также улучшить коэффициент мощности установки (см. § 4.7).