5.1.2 Схема, принцип работы , расчетные соотношения и временные диаг-раммы трехфазного выпрямителя

На рис. 8 приведена схема вентильного трехфазного генератора с выпрями-телем, собранным по схемем трехфазного двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 8. Схема вентильного трехфазного генератора с выпрямителем

Обмотки статора соединены в звезду. Для этого соединения U_л = U_ф и I_л = I_ф. Положим, что нагрузкой генератора является активное сопротивление R_нг.

Мгновенные напряжения фаз А, В, С соответственно равны

u_A = U_msin  ;

u_B = U_msin ( -2 / 3) ;

u_С = U_msin ( +2 / 3) .

где U_m – максимальное фазное напряжение; = 2f = 2_*n_{рт *} р / 60 – угловая скорость вращения.

Положим также, что диоды, включенные в прямом направлении, имеют сопротивление R_пр бесконечно малое (R_пр = 0), а в обратном направлении со-противление R_обр бесконечно большое (R_обр = ).

В трехфазной мостовой схеме выпрямления имеется шесть диодов: в верх-ней группе диодов (диоды VD1,VD3,VD5 положительной полярности) соеди-нены между собой катоды, в нижней группе (диоды VD2,VD4,VD6 отрица-тельной полярности) – аноды. В проводящем направлении работает диод из верхней группы, у которого анод имеет наиболее высокий потенциал, а в ниж-ней группе – диод, у которого катод имеет наиболее низкий потенциал. Следо-вательно, в любой момент времени работают два диода: один положительной полярности (верхний), другой отрицательной (нижний). Каждый диод пропус-кает ток в течение одной трети периода (Т / 3).

Рис.9. Временные диаграммы напряжения и силы тока трехфазного вентильного генератора: а - фазных напряжений u_a, u_в, u_с ; б – выпрямленного напряжения и силы тока; в – силы тока диодов i₁, i₃, i₅, i₄, i₆, i₂ ; г – сила тока i_А в фазе генератора

К выпрямителю подается линейное напряжение генератора. Выпрямленное напряжение определяется ординатами, заключенными между верхней и нижней огибающими (рис. 9,а) фазных напряжений u_A, u_В, u_С.

Поэтому мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d измениться и частота пульсации выпрямленного напряжения в 6 раз больше переменного напряжения:

f_пл = 6f = 6рn_рт / 60 = 0,1 рn_рт .

Минимальное значение выпрямленного напряжения равно 1,5 U_m, а максимальное 1,73 U_m. Изменение выпрямленного напряжения (пульсации)

U_d = (1,73-1,5)U_m = 0,23U_m = 0,325U_ф . (3)

Среднее значение выпрямленного напряжения (период пульсации Т / 6)

т/12

U_d = Т/6 3 U_{m *}cosd = 1,65 U_m= 2,34 U_ф =1,35 U_л . (4)

-т/12

При вычислении интеграла  = 2/Т .

Итак, для трехфазной мостовой схемы выпрямления среднее значение выпрямленного напряжения в 2,34 раза больше действующего фазного и в 1,35 раза больше действующего линейного напряжения.

Пульсацию выпрямленного напряжения можно выразить через среднее вы-прямленное напряжение, подставив в формулу (3) значение U_m , найденное из выражения (4):

U_d = 0,23U_d/l,65 = 0,139U_d.

Относительная пульсация выпрямленного напряжения

U_d^* = U_d 100 / U_d = 13,9 %.

Например, при среднем значении выпрямленного напряжения 14 В пуль-сация равна 1,95 В. При этом максимальное значение выпрямленного напря-жения равно 14,65 В, а минимальное 12,7 В.

При подключении к выпрямителю активной нагрузки R_нг протекает вы-прямленный ток (мгновенное значение)

i_d = u_d / R_нг .

Форма выпрямленного тока имеет такой же вид, как и форма выпрямлен-ного напряжения, т.е. выпрямленный ток будет пуль­сирующим с амплитудой пульсации I_dm = U_dm / R_нг (рис. 9,б).

Средняя сила выпрямленного тока

т/12

I_d = T/6  I_dm cosd = 3I_dm /  = 0,955 I_dm . (5)

-т/12

Как было показано, каждый диод пропускает ток в течение одной трети пе-риода (Т/3). Поэтому мгновенная сила тока диодов i₁, i₂, i₃, i₄, i₅, i₆ имеет пуль-сирующий характер (рис. 9,в). Средний ток одного диода равен I_d/3.

Токи, протекающие по фазным обмоткам генератора, можно определить, рассматривая соответствующие узлы выпрямителя. Например, согласно пер-вому закону Кирхгофа

i_A+i₂ – i₁= 0

или мгновенное значение силы тока фазы A

i_A=i₁ – i₂.

Таким образом, фазные токи имеют несинусоидальный пре­рывистый характер (рис. 9,г). Действующая сила фазного тока

т/3

I_ф = 4/T  I²_dm sin² d = 3I_dm /  = 0,775 I_dm . (6)

-т/3

Из (5) и (6)

I_ф = 0,815 I_d . (7)

Обычно при определении действующей фазной силы тока полагают, что форма фазной силы тока прямоугольная и имеет амплитуду, равную средней силе выпрямленного тока I_d. В этом случае

т/3

I_ф = 2/T  I²_d dt = 2/3 I_d = 0,816 I_d . (8)

0

Сравнение формул (7) и (8) показывает, что погрешность, невелика, и при расчетах можно пользоваться формулой (8).

Средний ток, проходящий через каждый диод

I_д = I_d/3 = 0,318 I_dm.

Действующий ток, протекающий через диод

т/12

I_д.д. = 2/T  I²_dm cos² d = 3I_dm /  = 0,55 I_dm

-т/12

Поэтому коэффициент формы тока, протекающего через диод,

k_д = I_д.д./ I_д =1,735.

При рассмотрении отношений напряжений и силы тока вен­тильного генерато-ра учитывают, что полупроводниковые вентили (диоды) не являются идеальными.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 10. С достаточной точностью вольт-амперная характери­стика кремниевого диода в состо-янии высокой проводимости может быть аппроксимирована уравнением

u = U₀ + iR_д ,

где U₀ - пороговое напряжение; i - сила тока в прямом направ­лении;

R_д - динамическое сопротивление, равное tg.

Рис. 10. Вольт-амперные характеристики кремниевого диода

При аппроксимации прямую линию проводят через две точки I = 4,71I_пред и i = 1,57I_пред, где I_пред - предельный или номинальный ток диода. Прямое падение напряжения на диоде U_пр (среднее значение) связано с пороговым напряжени-ем U₀ и динамическим сопротивлением R_дн:

U_пр = U₀ / 2 + I_пр R_дн .

Для диодов, применяемых в автотракторном электрооборудо­вании, поро-говое напряжение находится в пределах 0,8 ... 1,0 В.

Коммутация в вентильных генераторах не является идеальной. Накопленная электромагнитная энергия в индуктивных элементах приводит к тому, что сила тока в диоде нарастает и исчезает постепенно.

В результате с увеличением тока нагрузки изменяется соотношение между напряжениями на входе и выходе выпрямителя, а также соотношение между выпрямленной и фазной силой тока. В режимах близких к холостому ходу, фор-ма фазного напряжения близка к синусоидальной, а кривые фазной силы тока имеют значительные искажения. По мере увеличения нагрузки форма фазного напряжения искажается , а форма фазной силы тока приближается к синусои-дальной.