3.7 Трехфазный мостовой выпрямитель

Трехфазный мостовой выпрямитель, называемый иногда шестипульсным (р=6), имеет большое значение для энергетической электроники, так как дает весьма малые пульсации выпрямленного напряжении и характеризуется хорошим использованием вентилей и трансформатора. Применяя параллельное или последовательное соединение шестипульсных схем выпрямления, можно получить преобразовательные установки с большим числом пульсности выпрямления (р=12, 18 и т.д.), которые могут быть применены при мощности в десятки мегаватт.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 3.26, а) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей.

Рис. 3.26. Схема трехфазного мостового выпрямителя (шестпипульсная) (а)

и временные диаграммы работы (б-и)

Схема допускает соединение и первичных, и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником. Она может быть применена и без трансформатора.

Так же как и в предыдущих случаях, выпрямитель считаем идеальным, а индуктивность сглаживающего дросселя L_d  .

В отличие от схемы с нулевым выводом, где ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмoтки трансформатора, в данной схеме ток создается под действием линейного напряжения. При этом ток протекает через два вентиля, один из которых расположен в катодной группе, а другой – в анодной.

Из катодной группы в открытом состоянии будет находиться тот из вентилей, напряжение анода которого имеет положительную полярность относительно нулевого вывода (фазное напряжение) и наибольшую величину по сравнению с другими вентилями. Из анодной группы открыт тот из вентилей, напряжение катода которого в данный момент является наибольшим и имеет отрицательную полярность. Таким образом, на интервале ₁ – ₂ проводят вентили V5, V1, на интервале ₂ – ₃ проводят вентили V1, V6, на интервале ₃ – ₄ – вентили V2, V6, на интервале ₄ – ₅ – вентили V2, V4 и т. д. Следовательно, интервал проводимости каждого вентиля составляет _ = 2/3. За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей.

Кривая изменения потенциала на зажиме «+» формируется из участков фазных напряжений положительной полярности при проводимости вентилей каждой группы, а кривая потенциала на зажиме «–» – из участков фазных напряжений отрицательной полярности при проводимости вентилей анодной группы (рис.3.26, б). Разность указанных потенциалов определяет напряжение u_d, которое будет состоять из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется по среднему значению напряжения u_d за период повторяемости /3 (заштрихованный участок на рис. 3.26, в):

, (3.55)

т. е. по сравнению с трехфазной схемой с нулевым выводом оно получается вдвое большим. При заданном напряжении U_d требуется, таким образом, вдвое меньшее напряжение U₂:

, (3.56)

что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора, приводит к уменьшению расхода меди, снижает требования к изоляции.

Коэффициент пульсации схемы q = 0,042. Частота первой гармоники пульсации шестикратна частоте питающей сети.

Ток нагрузки из-за наличия индуктивности сглажен. На рис. 3.26, в он представлен прямой линией со значением I_d = U_d / R. Поскольку каждый вентиль проводит ток в течение трети периода, среднее значение тока вентиля I_V = I_d / 3. Кривые токов вентилей показаны на рис. 3.26, г – ж.

При открытом состоянии двух вентилей моста другие четыре вентиля закрыты приложенным к ним обратным напряжением. Разность напряжений между анодом и катодом (рис. 3.26, 6) определяет кривую U_R вентиля V1 (рис. 3.26, и). Как и в трехфазной схеме с нулевым выводом, кривая обратного напряжения составляется из участков линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора, и ее максимальная величина равна амплитуде линейного напряжения U_RRM = . Однако в данной схеме среднее значение напряжения на нагрузке вдвое больше, чем в схеме с нулевым выводом, поэтому

(3.57)

что определяет выбор вентилей в трехфазной мостовой схеме на напряжение, близкое к U_d.

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, другой – в катодную. Так, например, ток i_2a состоит из токов вентилей V1 и V4 (рис. 3.26, з). Вторичный ток является переменным с импульсами прямоугольной формы с амплитудой I_d и паузой между импульсами длительностью /3, когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем и поток вынужденного подмагничивания не создается.

Действующее значение вторичного тока (рис. 3.26, з):

(3.58)

Ток первичной обмотки трансформатора (рис. 3.28, з) связан c током вторичной обмотки коэффициентом трансформации (i₁ = i₂ / K_T, где К_T = W₁/W₂):

(3.59)

Первая гармоника потребляемого тока совпадает по фазе с напряжением питания.

В реальном выпрямителе, ввиду наличия индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и индуктивностей питающей сети (см. § 3.5), переход тока с одного вентиля на другой в пределах анодной и катодной групп происходит в течение интервала коммутации . Коммутация начинается в точках естественного отпирания очередных вентилей (рис. 3.27, а), которым соответствуют моменты времени ₁ , ₂ , ₃ и т.д. на рис. 3.27, б. В точках естественного отпирания вентилей достигается равенство фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Рис. 3.27. Временные диаграммы работы трехфазного мостового выпрямителя с учетом процессов коммутации

На этапе коммутации (на рис. 3.27, в обозначен штриховым прямоугольником) открыты три вентиля, два из которых в анодной или катодной группе участвуют в коммутации. В течение интервала  ток вентиля, заканчивающего работу, спадает до нуля, а ток вентиля, вступающего в работу, нарастает до значения i_d = I_d . При этом в процессе коммутации двух вентилей потенциал соответствующей шины нагрузки («+» или « – ») изменяется по полусумме напряжений двух фаз, участвующих в коммутации. Как видно из рис. 3.27, а, б, изменение потенциала в процессе коммутации вызывает уменьшение выпрямленного напряжения u_d , что сказывается и на среднем значении выходного напряжения:

(3.60)

где U_d – среднее значение снижения напряжения при коммутации.

Мгновенное значение коммутационного снижения напряжения составляет (рис. 3.27, а, 6):

(3.61)

или

(3.62)

поскольку u_b - u_a = u_2л = u₂ .

Величину U_d находим из уравнения коммутационных площадок напряжения за интервал /3 (заштрихованная площадка на рис. 3.29, а):

(3.63)

Проделав операции с величинами, аналогично приведенными в § 3.5, получим:

(3.64)

Уравнение (3.64) определяет внешнюю характеристику трехфазного мостового выпрямителя, которая, как и для однофазных выпрямителей при  = 0, имеет вид наклонной прямой. Уменьшение напряжения на нагрузке с увеличением ее тока, как было отмечено в § 3.5, связано с повышением величины U_d ввиду роста угла коммутации .

Влияние коммутационных процессов на форму кривых анодных токов отражается и на форме кривых первичного и вторичного токов трансформатора (рис. 3.27, г). Основная гармоника этих токов приобретает отстающий относительно напряжения фазовый сдвиг на угол    /2. Коммутационные процессы также влияют и на форму кривой обратного напряжения U_R (рис. 3.27, д). Они приводят к увеличению интервала проводимости вентиля на угол  и появлению на нем скачка обратного напряжения, равного

Особенность работы управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол  момента отпирания очередных вентилей относительно точек естественного отпирания ₁ , ₂ и т.д. При наличии достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки задержка вступления в работу очередных вентилей создает задержку на такой же угол  моментов запирания проводящих вентилей (рис. 3.28).

При изменении угла  в диапазоне от 0 до 60^о переход напряжения u_d с одного линейного напряжения на другое осуществляется в пределах положительной полярности участков линейных напряжений. Поэтому форма кривой u_d и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктивнoй нагрузках.

При  > 60⁰ вид кривой u_d зависит от характера нагрузки. Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока (см. § 3.3). В случае активноиндуктивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через вентили вторичные обмотки трансформатора после изменения полярности их линейного напряжения, в связи с чем в кривой u_d появляются участки линейных напряжений отрицательной полярности. При L_d   эти участки продолжаются до моментов очередного отпирания вентилей. Условию U_d = 0 соответствует угол  = 90⁰ (рис.3.29, а). Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при L_d  . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой u_d при >60⁰ появляются нулевые паузы. Условию U_d = 0 теперь соответствует угол  = 120⁰ (рис. 3.29, б).

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при L_d   может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале /3:

(3.65)

т. е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке (L_d=0) на интервале 120⁰    60⁰ определяется выражением:

(3.66)

Регулировочные характеристики, построенные по выражениям (3.65) и (3.66), приведены на рис. 3.30.

Кривые токов вентилей и токов обмоток трансформатора при L_d   отличаются от кривых соответствующих токов неуправляемого выпрямителя наличием отстающего фазового сдвига относительно напряжений на угол =. Кривая напряжения на вентиле приведена на рис. 3.28, д. Амплитуда обратного напряжения равна 1,045U_{di 0}. Этой величиной определяется теперь и возможное значение амплитуды прямого напряжения на вентиле при регулировании угла .

На рис. 3.31, а-д приведены временные диаграммы напряжений и токов управляемого трехфазного мостового выпрямителя с учетом коммутационны процессов. Каждый коммутационный процесс начинается в момент подачи отпирающего импульса на очередной в порядке вступления в работу вентиль. Коммутация токов продолжается в течение интервала  и протекает так же, как и в схеме неуправляемого выпрямителя.

Потенциалы выводов нагрузки на интервале  определяются, как и в неуправляемом выпрямителе, полусуммой напряжений двух фаз с коммутирующими вентилями. Уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения U_d определяется выражением (3.60). Расчет среднего значения коммутационных падений напряжения производят, как и в случае  = 0. Однако напряжение u_d (рис. 3.31, а) к моменту начала коммутации имеет отстающий фазовый сдвиг на угол  относительно точек естественного отпирания вентилей. С учетом этого соотношения (3.62) – (3.64) принимают вид:

(3.67)

(3.68)

(3.69)

Рис. 3.28. Временные диаграммы работы трехфазного мостового управляемого выпрямителя

Соотношение (3.69) является уравнением внешних характеристик трёхфазного управляемго выпрямителя. Оно является более общим, чем уравнение (3.64), поскольку отвечает и условию  = 0. Графическое представление внешних характеристик приведено на рис. 3.21.

Влияние коммутационных процессов на форму кривых первичного и вторичного токов трансформатора, а также на форму кривой напряжения на вентиле показано на рис. 3.31, г, д. Процессы коммутации не сказываются на величинах максимально возможных прямого и обратного напряжений на вентиле, которые остаются равными 1,045U_{di 0}.

Рис.3.31. Временные диаграммы напряжений и токов трехфазного мостового управляемого

выпрямителя с учетом коммутации