Как работает трехфазный выпрямитель?

Принцип действия и схема трехфазного мостового выпрямителя

Пользователям силовых цепей 380 Вольт в домашнем хозяйстве нужен пассивный (неуправляемый) трехфазный выпрямитель. Знание некоторых особенностей электронного устройства и существующих схем выпрямления окажется очень полезным. Это поможет владельцу силового оборудования эксплуатировать его более грамотно и рационально в течение длительного времени.

1. Описание выпрямителей
2. Принцип действия
3. Однополупериодный многофазный выпрямитель
4. Двухполупериодный выпрямитель
5. Мостовые устройства
6. Особенности трехфазного моста и варианты его построения
7. Сравнение однофазных и трехфазных устройств

Описание выпрямителей

Трехфазный мостовой выпрямитель

Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:

• первые устанавливаются в линиях 220 Вольт и служат для получения постоянных токов незначительной величины (до 50-ти Ампер);
• трехфазные выпрямители используются в цепях, где рабочие (выпрямленные) токи существенно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен Ампер.
• в сравнении с однофазными образцами эти приборы имеют более сложное устройство.

Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить на выходе минимальный уровень пульсаций.

В электротехнике они называются «трехфазные мостовые выпрямители», так как по способу открывания диодов, управляемых полярностью напряжения, они напоминают мост через реку с односторонним движением. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, недоступной для проезда машин поочередно в каждую из сторон.

Принцип действия

Принцип работы трехфазного выпрямителя

Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.

В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.

«Цепь полного цикла» может содержать 4 выпрямительных элемента, но такая схема относится к категории мостовых.

Однополупериодный многофазный выпрямитель

Сначала удобнее рассмотреть несложные в изготовлении трехфазные однополупериодные выпрямители, применяемые в простых и недорогих преобразовательных схемах. При их построении в каждую из фаз устанавливается по одному мощному диоду, обслуживающему только данную ветку.

Всего в однополупериодном образце выпрямительного прибора используется три полупроводниковых диода с подключенными к ним нагрузками. После изучения эпюр напряжений и токов, получаемых на выходе электрической цепочки, можно сделать следующие выводы:

• эффективность (КПД) действия такого устройства очень низка;
• полезная мощность теряется при обработке отрицательных полуволн всех трех фаз;
• при использовании таких приборов получить нужные нагрузочные характеристики очень сложно.

Все эти недостатки однополупериодных схем вынудили разработчиков усложнить их, применив принцип двойного параллельного преобразования.

Двухполупериодный выпрямитель

Некоторые образцы силового оборудования работают только при большой величине выпрямленного тока, протекающего в нагрузке. Ее неспособны обеспечить однополупериодные выпрямители, что объясняется значительными потерями в них. Для повышения нагрузочной способности в цепях трехфазного тока все чаще применяются двухполупериодные выпрямительные приборы, содержащие по два диода на каждую из фаз.

Классическое включение в этом случае выполнено по схеме Ларионова, в честь которого названо и само выпрямительное устройство.

Анализ рабочих диаграмм такого выпрямителя наглядно свидетельствует о его бесспорных достоинствах. При работе этих схем используются как положительные, так и отрицательные полуволны, что поднимает КПД всего преобразователя. Объясняется это тем, что трехфазная структура схемы совместно с двухполупериодным выпрямлением обеспечивают шестикратное увеличение частоты пульсаций. За счет этого амплитуда сигнала на выходе после сглаживающих конденсаторов заметно возрастает (в сравнении с однополупериодным выпрямителем), а отдаваемая в нагрузку мощность повышается.

Мостовые устройства

Еще больше повысить эффективность преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет «трехфазная мостовая схема выпрямления». Этот способ включения удобнее представить в виде совокупности двух однополупериодных схем с нулевой точкой, в которых нечетные диоды образуют катодную группу, а четные – их анодное объединение. В трехфазной мостовой схеме две ветки обработки полуволн различной полярности фактически объединены в единую систему.

Принцип действия трехфазного мостового выпрямителя проще всего представить так:

• при действии на его входе переменного потенциала для каждой полуволны открытыми оказываются два диода из четырех, включенных как бы зеркально;
• в первом случае выпрямляется положительная полуволна входного напряжения, а во втором – отрицательная;
• в результате на выходе такой перекрестной схемы на одном полюсе моста всегда действует плюс, а на другом – минус.

Как в трехфазных выпрямительных мостах, так и в двухполупериодных схемах на диодных переходах теряется часть входного напряжения (на каждом диоде – не более 0,6 Вольта).

Общая потеря за один такт (положительный и отрицательный) в трехфазном мосте составит таким образом 1,2 Вольта. Разработчики выпрямительного оборудования всегда учитывают эти потери и для получения требуемой мощности на выходе заранее закладывают чуть завышенные входные параметры.

Диаграммы или эпюры напряжения мостовых схем – лучшее подтверждение тому, что этот способ включения диодов в выпрямительную цепь обеспечивает максимум передачи энергии. При этом небольшие потери напряжения на переходах чаще всего удается компенсировать за счет лучшей фильтрации во вторичных цепях.

Особенности трехфазного моста и варианты его построения

Мостовые схемы трехфазных выпрямителей имеют варианты исполнений, позволяющие улучшить параметры устройства. Усовершенствовать их удается за счет введения дополнительных вентильных элементов. В них устанавливают по 6, 9 или даже 12 выпрямительных диодов, включенных по схеме «звезда» или «треугольник».

Чем больше фаз (или пар диодов) используется в схеме выпрямителя, тем ниже уровень пульсаций выходного напряжения.

В качестве примера рассмотрим устройство с 12 выпрямительными диодами. Одна из групп в количестве 6-ти штук включается в этом случае по схеме «звезда» с общей нулевой точкой, а вторая – в треугольник (без земли). С учетом того, что выпрямители соединены последовательно, потенциалы на выходе системы суммируются, а частота пульсаций в нагрузке оказывается в 12 раз большей сетевого значения (50 Герц). После фильтрации поступающее к потребителю напряжение характеризуется более высоким качеством.

Сравнение однофазных и трехфазных устройств

При сравнении трехфазных схем выпрямления со однофазными аналогами важно отметить следующие моменты:

• первые используются только в силовых сетях 380 Вольт, а вторую разновидность допускается устанавливать и в однофазные и в трехфазные цепи (по одному на каждую из фаз);
• выпрямители 380 Вольт позволяют преобразовывать большую мощность и развивать значительные токи в нагрузке;
• с другой стороны самостоятельно сделать трехфазный выпрямитель несколько труднее, поскольку он состоит из большего числа комплектующих изделий.

Понять суть работы трехфазного выпрямителя совсем несложно. Для этого потребуется ознакомиться с основами работы вентильных устройств и проанализировать электрическую схему их включения. Знание принципа действия выпрямительных приборов поможет пользователю эффективнее использовать его в повседневной работе.

Как работает трехфазный выпрямитель?

Как и обычно, в силовой электронике и электротехнике однофазное подключение нагрузок применяется при сравнительно малых мощностях. С увеличением уровня мощности используются трехфазные схемы.

Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой изображена на рис. 4.1. В схему входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником. Пусть выпрямитель идеализированный, нагрузка активная.

Диоды схемы работают попеременно в течение одной трети периода переменного напряжения. В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Переход тока с диода на диод происходит в моменты, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений. Отсюда следует, что кривая выпрямленного напряжения схемы u d может быть получена как огибающая синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется на периоде повторяемости процессов в цепи нагрузки (т.е. на интервале 2 π 3 ):

U d = 1 2 π / 3 ∫ − π 3 π 3 2 ⋅ U 2 cos ⁡ v d v = 3 6 2 π U 2 = 1,17 U 2 .

Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения здесь меньше, чем в схеме однофазного выпрямителя со средней точкой, а частота переменной составляющей в три раза больше частоты переменного напряжения.

К каждому из диодов на интервале закрытого состояния через соответствующий открытый диод прикладывается линейное напряжение вторичных обмоток трансформатора. Например, к диоду VD1 на интервале открытого состояния диода VD2 прикладывается напряжение U 2 A − U 2 B , а на интервале открытого состояния диода VD3 — напряжение U 2 A − U 2 C . Наибольшее значение обратного напряжения равно амплитуде линейного напряжения.

Токи диодов будут одновременно и токами вторичных обмоток трансформатора. Серьезным недостатком схемы является, подобно и схеме однофазного однополупериодного выпрямителя, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. Во избежание насыщения из-за вынужденного намагничивания приходится увеличивать сечение магнитопровода, что приводит к завышению массо-габаритных показателей трансформатора.

Поток вынужденного намагничивания может быть исключен введением дополнительных обмоток (т.е. усложнением трансформатора) на вторичной стороне и соединением вторичных обмоток зигзагом. Однако лучшие результаты дает применение трехфазной мостовой схемы, не имеющей потока вынужденного намагничивания и обладающей рядом других преимуществ.

Совместив, подобно схеме на рис. 3.1, в, два выпрямителя, получим двухполярный выпрямитель, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2 — Совмещение двух выпрямителей со средней точкой

Между точками а и b будет сформировано удвоенное выпрямленное напряжение. При подключении нагрузки к указанным точкам и отключении нулевого вывода вторичных обмоток трансформатора получим трехфазную мостовую схему выпрямления, приведенную на рис. 4.3.

Таким образом, для обеспечения одинакового значения выпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме требуется вдвое меньшее значение напряжения вторичных обмоток трансформатора, чем в трехфазной схеме выпрямления со средней точкой.

Верхнюю группу диодов схемы (см. рис. 4.3) принято называть катодной, а нижнюю — анодной.

В мостовом выпрямителе одновременно пропускают ток два диода: один с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Временные диаграммы работы диодов приведены на рис. 4.3. На схеме нумерация диодов соответствует последовательности их вступления в работу. Так, например, на интервале v 1 − v 2 , ток пропускают диоды VD1, VD6, на интервале v 2 − v 3 — диоды VD1, VD2 и т.д.

На интервале v 1 − v 2 выпрямленное напряжение определяется разностью фазных напряжений u 2 A и u 2 B , на интервале v 2 − v 3 — u d = u 2 A − u 2 C и т.д. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации переменной составляющей, хотя угол проводимости каждого диода такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой. Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения наименьшая из всех рассмотренных выпрямителей.

В трехфазном мостовом выпрямителе нет вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, так как ток в каждой вторичной обмотке протекает дважды за период, причем в противоположных направлениях.

Обратное напряжение, прикладываемое к диодам в закрытом состоянии, по форме повторяет обратное напряжение диодов в выпрямителе со средней точкой, но по величине оно в два раза меньше (при равных значениях выпрямленного напряжения).

В управляемых трехфазных выпрямителях угол управления α отсчитывается от точек естественной коммутации (от точек пересечения фазных напряжений). Схема управляемого выпрямителя со средней точкой приведена на рис. 4.4, а. На рис. 4.4, б, в показаны кривые выпрямленного напряжения u d для режима работы на активную нагрузку при двух различных углах управления. Естественно, что при этом кривая тока нагрузки повторяет по форме кривую выпрямленного напряжения.

Имеются две характерные области управления. Первая находится в диапазоне 0 α π 6 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока (см. рис. 4.4, б), а вторая начинается при углах α > π 6 , причем в кривой выпрямленного тока в этом случае возникают паузы, в течение которых мгновенные выпрямленные токи равны нулю (см. рис. 4.4, в).

Среднее выпрямленное напряжение для первой области регулирования определяется следующим образом:

Каждый тиристор схемы работает треть периода. Во второй области регулирования ( α > π 6 ) ток через тиристор обрывается при прохождении мгновенного выпрямленного напряжения через нуль. Длительность прохождения тока через тиристор меньше одной трети периода на величину α − π 6 .

Среднее выпрямленное напряжение в этом случае рассчитывается иначе:

Верхний предел интегрирования берется равным π по той причине, что далее следует интервал, где мгновенное выпрямленное напряжение равно нулю.

Как видно из (4.2), для трехфазной схемы со средней точкой при активной нагрузке предельным углом управления (при котором U d = 0 ) является угол 150°.

При работе на активно-индуктивную нагрузку ( L d → ∞ ) ток через каждый тиристор протекает всегда одну треть периода и имеет форму прямоугольника. Переход тока с тиристора на тиристор происходит в момент подачи отпирающего импульса на очередной вступающий в работу тиристор. Как видно из рис. 4.4, г, кривая выпрямленного напряжения для углов управления α π 6 ничем не отличается от случая работы схемы на активную нагрузку. При углах управления α > π 6 , как показано на рис. 4.4, г, в кривой выпрямленного напряжения появляются интервалы, когда u d принимает отрицательные значения. В результате при L d → ∞ предельный угол управления равен 90°, а выпрямленное напряжение при любом значении α определяется по (4.1).

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 4.5, а. На рис. 4.5, б, в изображены диаграммы фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора и кривые выпрямленного напряжения для трех значений угла управления при работе схемы на активную нагрузку ( L d = 0 ).

На рис. 4.5, б штриховкой показаны выпрямленные напряжения тиристорами анодной и катодной групп (относительно общей точки вторичных обмоток трансформатора), а на рис. 4.5, в — собственно кривая выпрямленного напряжения схемы для α = 30, 60 и 90°.

Следует отметить, что для обеспечения работоспособности схемы необходимо управлять тиристорами импульсами шириной более 60° или соответствующими сдвоенными импульсами. Это объясняется тем, что при использовании одиночных импульсов с шириной меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два тиристора в анодной и катодной группах. Кроме того, при углах управления α > 60° в кривой выпрямленного напряжения и тока появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной вступающий в работу тиристор подать повторный импульс на соответствующий тиристор в противоположной группе или же использовать импульсы с длительностью более 60° (порядок вступления тиристоров в работу здесь такой же, как и диодов на рис. 4.3).

Кривая выпрямленного напряжения и тока при изменении угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления более 60° выпрямленный ток прерывистый. Таким образом, при активной нагрузке мостовая схема, также как и схема со средней точкой, имеет два качественно отличных режима работы.

Для первого режима ( 0 α π 3 ) среднее выпрямленное напряжение может быть найдено следующим образом:

Для второго режима ( α > π 3 ) среднее выпрямленное напряжение равно:

Из (4.4) следует, что U d становится равным нулю при α = 120 ° . Это значение угла управления и является максимальным при активной нагрузке.

В случае активно-индуктивной нагрузки ( L d → ∞ ) длительность проводящего состояния тиристоров всегда составляет одну треть периода и поэтому при α > 60 ° в кривой выпрямленного напряжения появляются отрицательные участки (аналогично другим схемам выпрямления, рассмотренным выше). Выпрямленное напряжение при этом для всего диапазона регулирования определяется по формуле (4.3), а максимальный угол управления составляет величину 90°.

Рассчитанные по (4.3) и (4.4) регулировочные характеристики трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведены на рис. 4.6.

Как видно из графиков, в первой половине полного диапазона регулирования характеристика от типа нагрузки не зависит.

Необходимые для проектирования одно- и трехфазных выпрямителей расчетные соотношения сведены в табл. 3. Хотя соотношения определены для неуправляемых выпрямителей, они пригодны и для управляемых, т.к. при крайнем значении угла управления (α = 0) управляемый выпрямитель ничем не отличается от неуправляемого. Только коэффициент пульсаций при α ≠ 0 увеличивается по сравнению с данными табл. 2.

Таблица 3 — Основные расчетные соотношения для неуправляемых идеализированных (т.е. без потерь) выпрямителей при синусоидальном входном напряжении

Неуправляемые трёхфазные схемы выпрямления

Автор: Shadrin · Опубликовано 22.12.2016 · Обновлено 22.12.2016

Трёхфазный выпрямитель – это устройство, преобразующее энергию трёхфазной сети переменного тока в энергию постоянного тока.

Рассмотрение темы трёхфазных выпрямителей является одной из обязательных при изучении дисциплины «Электропитание устройств и систем телекоммуникаций». Для изучения этой темы рекомендуется ознакомиться с темами о выпрямительных устройствах, трансформаторах и диодах, и только потом приступать к изучению этой темы.

Схема трехфазного выпрямления имеют более лучшую характеристику выпрямленного переменного тока – коэффициент пульсаций выходного напряжения по сравнению со схемами однофазных выпрямителей. Это достигается за счёт того, что синусоиды ЭДС трёхфазного трансформатора накладываются друг на друга, а после выпрямления напряжения, они не складываются, а происходит выделение максимальных амплитуд всех трёх фаз вторичной обмотки трансформатора.

В статье рассмотрим несколько трёхфазных неуправляемых выпрямителей, которые студенты обязаны знать, а также их схемы и принципы действия.

Трёхфазная однотактная схема выпрямления

Трёхфазная однотактная схема выпрямления также называется трёхфазный нулевой выпрямитель или с нулевым выводом. В некоторой литературе можно встретить название «схема В.Ф. Миткевича», названная в честь её изобретателя советского учёного электротехника в 1901 году.

Выпрямленное напряжение на выходе всегда равно напряжению той фазы, при которой открыт диод. Из этого следует, что напряжение на выходе выпрямителя равно огибающей синусоид ЭДС на выходе трёхфазного трансформатора. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжение равен 0,25, в то время, когда у двухполупериодного и мостового выпрямителя он равен 0,67. В свою очередь, пульсаций в этого выпрямителя равна в три раза больше питающей сети. Основной недостаток схемы заключается в вынужденном намагничивании сердечника трансформатора. Трёхфазная однотактная схема выпрямления и диаграммы, поясняющие её работу изображены на рисунке 1.

Первичная обмотка может быть выполнена либо по схеме треугольник, либо как в данном случае, по схеме звезда. Концы свободных фаз вторичной обмотки подключаются к анодам диодов, катоды объединяются в общую точку, образуя тем самым положительный полюс выпрямления, и подключаются к нулевому выводу вторичной обмотки трансформатора. Возможен другой вариант подключения. Свободные концы фаз вторичной обмотки трансформатора подключаются к катодам диодов, а аноды объединяются в общую точку, образуя отрицательный полюс выпрямления и затем подключаются к нулевому выводу трансформатора.

Рисунок 1 – Трёхфазная однотактная схема выпрямления (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Более подробно рассмотрим принцип действия первого подключения. Напряжение на выходе выпрямителя зависит от максимального значения ЭДС фазы относительно нейтральной точки, при которой открыт диод. Рассмотрим период времени от ωt₁ до ωt₂, максимальное положительное значение ЭДС будет у обмотки e_2a (рисунок 1б), следовательно, будет открыт диод VD₁ и в цепи вторичной обмотки будет протекать ток i_2a, с обмотки e_2a, через диод VD₁, нагрузку R_н и на нулевой вывод вторичной обмотки.

В следующий период времени от ωt₂ до ωt₃. Максимальное значение ЭДС изменится на e_2b (рисунок 1б), откроется диод VD₁, и ток i_2b будет замыкаться по следующей цепи: вторичная обмотка трансформатора e_2b, диод VD₂, нагрузку R_н и на нулевой вывод вторичной обмотки. В момент времени от ωt₃ до ωt₄ процесс аналогичен двум предыдущим момента времени.

Из всего выше перечисленного, можно сделать вывод, что выходное напряжение будет равняться огибающей максимальных положительных пиков ЭДС фаз вторичной обмотки трансформатора (смотри нижнюю диаграмму рисунка 1б).

Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Второй наиболее важной схемой, которая применяется во многих устройствах связи, питающихся от трёхфазной сети является трёхфазная мостовая схема выпрямления также называется схемой Ларионова или трёхфазный выпрямитель Ларионова. Названа в честь учёного электротехника Андрея Николаевича Ларионова, который впервые предложил эту схему.

В литературе выделяют две разновидности схем Ларионова в зависимости от схемы включения вторичных обмоток трансформатора – звезда или треугольник. Несмотря на одинаковую трёхфазный мостовой диодный блок, из-за разных соединений вторичных обмоток, выпрямители будут отличаться средним выпрямленным напряжением, эквивалентным внутренним сопротивлением, потерей в меди, а также совершенно разным принципом работы. На практике часто применяется схема со звездообразным включением вторичной обмотки трансформатора (Рисунок 2). Коэффициент пульсаций для этой схемы будет 0,057.

Рассмотрим диодный блок схемы, который состоит из двух групп диодов. Верхняя группа диодов VD₁, VD₃, VD₅ объединённая катодами образует положительный полюс относительно нулевой точки. Нижняя группа диодов VD₂, VD₄, VD₆ объединённая анодами, образует отрицательный полюс. В связи с тем, что нагрузка подключается к выводам этих диодных групп, здесь не требуется вывод нейтрали трансформатора. Если рассмотреть схему повнимательней, то можно увидеть, что она состоит из двух трёхфазных однотактных выпрямителей. Первый состоит из трансформатора и первой группы диодов (VD₁, VD₃, VD₅) и имеет напряжение на выходе u₀₁’. Второй выпрямитель выполнен на том же трансформаторе и второй группе диодов (VD₂, VD₄, VD₆), на выходе которого будет напряжение u₀₁’’. Выходное напряжение u₀₁ трёхфазного мостового выпрямителя будет равно сумме напряжений u₀₁’ и u₀₁’’.

Рисунок 2 – Схема трехфазного мостового выпрямителя (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия «идеальной» схемы. В каждый момент времени, в каждой группе диодов может работать только один диод, причём в катодной группе работает тот диод, который подключен к фазе, имеющей наибольшее положительное значение ЭДС. В анодной группе, работает диод, который подключен к фазе, имеющей наибольшее отрицательное значение ЭДС.

Рассмотрим момент времени от ωt₁ до ωt₂. На этом временном интервале, наибольшее положительное значение ЭДС будет на фазе e_2a, следовательно в катодной группе будет открыт диод VD₁. В анодной группе будет открыт диод VD₄, так как наибольшее отрицательное значение будет на фазе e_2b. Отсюда следует, что ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e_2a, точка «A», диод VD₁, нагрузка R_н, диод VD₄, точка «B» и в фазу e_2b.

Для большей ясности рассмотрим следующий промежуток времени от ωt₂ до ωt₃. В Катодной группе до сих пор будет открыт диод VD₁, так как фаза e_2a имеет наибольшее положительное значение ЭДС в данный момент времени. В анодной группе будет работать диод VD₆, так как теперь в этом мент времени максимальная отрицательная ЭДС будет на фазе e_2с. Следовательно, ток будет замыкаться по следующей цепи: с фазы e_2a, точка «A», диод VD₁, нагрузка R_н, диод VD₄, точка «C» и в фазу e_2c.

Трёхфазной мостовой схеме выпрямления, в отличие от однотактной схемы более высокая частота первой гармоники пульсаций, меньшее значение коэффициента пульсаций, меньшая габаритная мощность трансформатора, более высокий коэффициент мощности, и минимум в два раза меньшее обратное напряжение на диодах.

Из недостатков стоит отметить, что по сравнению с однотактной схемой, в мостовой схеме в диодном блоке больше потерь на диодах, так как в каждый момент времени, одновременно работают два диода. Поэтому данную схему нецелесообразно применять при напряжениях в единицы вольт и при низкочастотных технологиях построения схем.

Трёхфазные каскадные схемы выпрямления

В электроустановках предприятий связи так же как и предыдущие две схемы распространены и каскадные или комбинированные схемы выпрямления трёхфазного напряжения. Применение подобных схем обеспечивает более высокую частоту первой гармоники пульсаций, что позволяет уменьшить каскады сглаживающих фильтров.

Каскадные схемы представляют собой комбинацию нескольких классических трёхфазных схем выпрямления, которые включаются между собой относительно выхода последовательно или параллельно и работают на одну нагрузку. Стоит отметить, что диаграммы выходных напряжений сдвинуты относительно друг друга по фазе.

Для изучения принципа действия каскадных схем для примера возьмём схему Кюблера (Рисунок 3). По схеме видно, что она состоит из двух трёхфазных однотактных выпрямителей. Напряжения u01’ и u01’’ этих схем будут иметь сдвиг относительно друг друга на 2π/6. Для обеспечения этого сдвига, требуется использовать соединение вторичных обмоток трансформатора по схеме звезда с выводом нейтрали, Обмотки верхнего выпрямителя объединяются концами, а второго началами, нейтрали обоих выпрямителей соединяются между собой и образуют отрицательный полюс выходного напряжения выпрямителя. На диаграммах рисунка 3б изображены диаграммы напряжений u₀₁’ (e_2a, e_2b, e_2c) первого выпрямителя сплошной линией, второго u₀₁’’ (e_2x, e_2y, e_2z) пунктирной.

Чтобы обеспечить одновременную работу двух фаз, которые принадлежат различным выпрямителям, общая точка соединения катодов этих выпрямителей подключаются к уравнительному реактору L_ур, а средняя точка этого реактора подключается к нагрузке R_н.

Рисунок 3 – Трёхфазная каскадная схема выпрямления (а) и диаграммы, поясняющие её работу (б)

Рассмотрим принцип действия этой схемы. На интервале времени ωt₁ до ωt₂ наибольшее положительное значение ЭДС верхнего выпрямителя будет на фазе e_2a, следовательно будет открыт диод VD_a и ток начнёт протекать в верхнюю обмотку W дросселя. В нижнем выпрямителе максимальной положительной ЭДС будет e_2z, значит ток с этой обмотки будет протекать через диод VD_z в нижнюю обмотку W’ дросселя. В этот момент времени напряжение на нагрузке будет равно u₀₁=(e_2a+e_2z)/2.

На следующем интервале времени от ωt₂ до ωt₃ в верхнем выпрямителе до сих пор будет максимальное положительное значение ЭДС на фазе e_2a, у нижнего выпрямителя максимальное положительное значение ЭДС изменится, и теперь ток будет протекать с фазы e_2x и через диод VD_x в нижнюю обмотку W’ дросселя. На следующих интервалах времени будут работать фазы e_2b и e_2x, затем e_2b и e_2y и так далее.

Главным достоинством схемы над трёхфазной мостовой это то, что потери на диодах намного меньше, но уступает по габаритной мощности трансформатора и обратном напряжении на диодах. Помимо всего прочего, дополнительно требуется дроссель в качестве уравнительно реактора.

Схема применяется при низких выходных напряжениях примерно до нескольких десятков вольт и при больших токах нагрузки в районе ста ампер.

Как устроен трехфазный выпрямитель

Большая часть промышленного и профессионального оборудования, например, станки или сварочные аппараты используют трехфазное напряжение. Это значит, что они должны иметь в себе выпрямитель трехфазный. Обычно это устройство использует в себе трехфазный диодный мост. Обычно этих диодов шесть – по два на каждую фазу тока. Они могут обладать различными техническими характеристиками, в зависимости от мощности самого прибора, потребляемого тока и силы тока, необходимой для работы.

В статье будет рассказано о структуре трехфазного преобразователя, как он работает, на каком принципе основывается его функционирование и каких видов они бывают. В качестве дополнения, в статье приведены несколько видеороликов и одну скачиваемую статье в формате PDF.

Принцип работы и схемы

Если для маломощных схем постоянного тока применяют однотактные или мостовые однофазные выпрямители, то для питания более мощных нагрузок необходимы порой выпрямители трехфазные. Трехфазные выпрямители позволяют получать большие величины постоянных токов с малыми уровнями пульсаций выходного напряжения, что сказывается на снижении требований к характеристикам сглаживающего выходного фильтра. Итак, для начала рассмотрим однотактный трехфазный выпрямитель, изображенный на рисунке ниже:

В приведенной на рисунке однотактной схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены всего три выпрямительных диода. Нагрузка присоединена к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды диодов, и общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора. Давайте теперь рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, имеющих место во вторичных обмотках трансформатора и на одном из диодов трехфазного однотактного выпрямителя:

Некоторым устройствам постоянного тока требуется большее напряжение питания, чем может дать однотактная схема, приведенная выше. Поэтому в некоторых случаях больше подходит схема трехфазного двухтактного выпрямителя. Принципиальная его схема приведена на рисунке ниже. Как мы уже отмечали, требования к фильтру снижаются, вы сможете увидеть это по диаграммам. Данная схема известна как трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова:

Взгляните теперь на диаграммы и сравните их с однотактной схемой. Выходное напряжение в мостовой схеме легко представляется в виде суммы напряжений как бы двух однотактных выпрямителей, работающих в противоположных фазах. Напряжение Ud = Ud1+Ud2. Количество фаз на выходе очевидно больше и частота пульсаций сети больше.

Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов. Мостовое включение можно рассмотреть как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа. Два трансформатора будто бы объединены в один. В каждый момент прохождения тока через диоды – в процессе участвуют одновременно два диода — по одному из каждой группы.

Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы.

Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений (см. диаграммы). Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими.

Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки. Таким же образом можно получить от трехфазного трансформатора более шести фаз постоянного напряжения: девять, двенадцать, восемнадцать и даже больше. Чем больше фаз (чем больше пар диодов) в выпрямителе, тем меньше уровень выходных пульсаций напряжения.

Мостовой тип устройства

Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением. Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца. Схема полноволнового трехфазного устройства. Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В). Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.

Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы.

Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки. Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:

U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12.

Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3). Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В.

Свойства трехфазного напряжения

Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца. Для получения ненулевого выходного U требуется по меньшей мере две фазы. Минимальное, максимальное и среднее значение напряжения. Численно, для сети 230 В / 400 В выпрямленное напряжение колеблется между минимальным напряжением: 1,5 В мин = 1,5 х (1,414×230) = 488 В, и максимальным: 1,732 Вмакс = 1,732 х (1,414×230) = 563 В.

Среднее значение трехфазного выпрямленного напряжения: avg = 1,654Vmax = 1,654 x (1,414×230) = 538 В. Выходное напряжение трехфазного выходного выпрямителя (зум). 3-фазный полноволновый выпрямитель MDS 130A 400V. 5 терминалов: 3 фазы, + и -. Этот выпрямитель содержит 6 диодов. Таким образом, можно суммировать следующие моменты:

• 6 диодов, 2 диода на фазу — слабая пульсация по сравнению с одноволновым выпрямителем (мост Гейца);
• среднее значение выпрямленного напряжения: 538 В для сети 230 В / 400 В;
• нейтраль не используется трехфазным выпрямителем.

Работа диодного моста

Он состоит из четырёх диодов, и эта конфигурация подключается через нагрузку. Во время положительного полупериода входных сигналов диодов D1 и D2 в прямом направлении смещены, а D3 и D4 обращены назад. Когда напряжение, превышающее пороговый уровень диодов D1 и D2, начинает проводиться — ток начинает протекать через него, как показано на рисунке ниже на красной линии. Во время отрицательного полупериода входного сигнала AC диоды D3 и D4 смещены вперёд, а D1 и D2 обращены в обратном направлении. Ток нагрузки начинает протекать через диоды D3 и D4, когда эти диоды начинают проводить, как показано на рисунке.

В обоих случаях направление тока нагрузки одинаковое, как показано на рисунке одностороннее, что означает DC. Таким образом, при использовании мостового выпрямителя входной ток AC преобразуется в DC. Выход на нагрузке с помощью этого мостового выпрямителя имеет пульсирующий характер, но для получения чистого DC требуется дополнительный фильтр, такой как конденсатор. Такая же операция применима для различных мостовых выпрямителей, но в случае управляемых выпрямителей запускается тиристор, чтобы управлять током для нагрузки.

Режим 1 (от α до π). В положительном полупериоде подаваемого переменного сигнала SC1 T1 и T2 являются прямым смещением и могут быть включены под углом α. Напряжение нагрузки равно положительному мгновенному напряжению питания AC.

Режим 2 (π toπ + α). При wt = π входное питание равно нулю, а после π оно становится отрицательным. Но индуктивность противодействует любым изменениям для поддержания DC нагрузки и в том же направлении.

Действие схемы

Действие схемы 3-фазного полностью контролируемого мостового выпрямителя описывается в этой странице. Трехфазный полностью контролируемый мостовой выпрямитель может быть сконструирован, используя шесть тиристоров. Можно видеть, что напряжение фазы А является наивысшим из трех фазных напряжений, когда Θ находится между 30° и 150°.

Также можно видеть, что напряжение фазы В является наивысшим трехфазных напряжений, когда Θ находится в между 150 и 270° и что напряжение фазы С является наивысшим из фазных напряжений, когда Θ находится между 270 и 390° или 30° в следующем цикле.

Если используются диоды, диод d1 вместо s1 проводил бы напряжение от 30 до 150°, диод d3 проводил бы от 150 до 270° и диод d5 – от 270 до 390° или 30° в следующем цикле. Таким же образом, диод d4 проводил бы от 210 до 30°, диод d6 – от 330 до 450° или 90° в следующем цикле, и диод d2 проводил бы от 90 до 210°. Положительный рельс выходного напряжения моста соединяется с наивысшими сегментами конверта трехфазных напряжений и отрицательного рельса выведенного напряжения к самым низким сегментам конверта.

На любой момент кроме переходных периодов, когда электрический ток перемещен от одного диода к другому, только одна из следующих пар работает в каждый момент.

Если используются тиристоры, их включение может быть задержано выбором нужного угла открытия. Когда тиристоры открываются при угле 0, выход из мостового выпрямителя такой же, как из схемы с диодами. Например, видно, что d1 начинает проводить только после Θ = 30°. Действительно, он может начать проводить только после Θ = 30°, так, как он реверсивно направлен до Θ = 30°. Смещение через d1 становится равным 0, когда Θ = 30° и диод d1 начинает становиться прямонаправленным только после Θ = 30°.

Когда Va(Θ)= E*sin (Θ), диод d1 обратно направлен перед Θ = 30° и прямонаправлен когда Θ = 30°. При нулевом угле открытия тиристоров s1 открывается, когда Θ = 30°. Это означает, что если синхронизирующий сигнал нужен для открытия s1, то сигнальное напряжение Va(Θ) отстает на 30° и если угол открытия Θ, тиристор s1 запущен, когда Θ = α + 30°. Предоставляют, что проводимость непрерывна, следующая таблица представляет пару тиристоров в проводимости в любой момент.

Затем с изменением мгновенного угла проводящая пара соединяется с толстыми оранжевыми дугами. (на рисунке) Один способ представить себе – вообразить две щетки, которые являются 120° шириной и устройство в фазе соединенное с поведением щеток.

Щетка, которая имеет “угол открытия” написано рядом она действует как щетка соединенная с положительным рельсом и другая действует как будто бы она соединена с отрицательным рельсом. Эта диаграмма иллюстрирует, как схема выпрямителя действует как коммутатор и преобразует переменный ток в постоянный. Выходное напряжение определяется амплитудой фазового напряжения, являясь единым значением.

Работа 3-фазового полностью контролируемого выпрямителя

Действие схемы

В схеме трехфазного мостового выпрямителя три плеча, каждая фаза соединилась с одним из трех фазовых напряжений. Альтернативно, можно видеть, что мостовая схема имеет две половины, положительная половина состоит из тиристоров s1, s3 и s5 и отрицательная половина состоит из тиристоров s2, s4 и s6. В любой момент, один тиристор из каждой половины замыкается, когда есть электрический ток. Если фазовая последовательность источника будет АБС, тиристоры работают в последовательности s1, s2, s3, s4, s5, s6 и s1 и так далее. Действие схемы сначала объясняется с предположением, что диоды используются вместо тиристоров. Трехфазное напряжение изменяется, как показано ниже.

Пусть трехфазные напряжения определены, как показано ниже.

Можно видеть, что напряжение фазы А является наивысшим из трех фазных напряжений, когда &#0920 находится между 30° и 150°.Также можно видеть, что напряжение фазы В является наивысшим трехфазных напряжений, когда &#0920 находится в между 150 и 270° и что напряжение фазы С является наивысшим из фазных напряжений, когда &#0920 находится между 270 и 390° или 30° в следующем цикле. Мы также находим, что напряжение фазы А является самым низким трехфазных напряжений, когда &#0920 находится между 210 и 330°. Можно также видеть, что напряжение фазы В является самым низким из фазных напряжений, когда &#0920 находится между 330 и 450° или 90° в следующем цикле, и что напряжение фазы С является самым низким, когда &#0920 находится 90 и 210°. Если используются диоды, диод d1 вместо s1 проводил бы напряжение от 30 до 150°, диод d3 проводил бы от 150 до 270° и диод d5 – от 270 до 390° или 30° в следующем цикле. Таким же образом, диод d4 проводил бы от 210 до 30°, диод d6 – от 330 до 450° или 90° в следующем цикле, и диод d2 проводил бы от 90 до 210°. Положительный рельс выходного напряжения моста соединяется с наивысшими сегментами конверта трехфазных напряжений и отрицательного рельса выведенного напряжения к самым низким сегментам конверта.

На любой момент кроме переходных периодов, когда электрический ток перемещен от одного диода к другому, только одна из следующих пар работает в каждый момент.

Если используются тиристоры, их включение может быть задержано выбором нужного угла открытия. Когда тиристоры открываются при угле 0, выход из мостового выпрямителя такой же, как из схемы с диодами. Например, видно, что d1 начинает проводить только после &#0920 = 30°. Действительно, он может начать проводить только после &#0920 = 30°, так, как он реверсивно направлен до &#0920 = 30°. Смещение через d1 становится равным 0, когда &#0920 = 30° и диод d1 начинает становиться прямонаправленным только после &#0920 = 30°. Когда Va(&#0920)= E*sin (&#0920), диод d1 обратно направлен перед &#0920 = 30° и прямонаправлен когда &#0920 = 30°. При нулевом угле открытия тиристоров s1 открывается, когда &#0920 = 30°. Это означает, что если синхронизирующий сигнал нужен для открытия s1, то сигнальное напряжение Va(&#0920) отстает на 30° и если угол открытия &#0920, тиристор s1 запущен, когда &#0920 = &#0945 + 30°. Предоставляют, что проводимость непрерывна, следующая таблица представляет пару тиристоров в проводимости в любой момент.

Работа мостового выпрямителя иллюстрируется с помощью апплета, который следует за этим параграфом. Вы можете установить угол открытия в рамках 0°

Синхронизирующие сигналы.

Чтобы изменить выходное напряжение, необходимо изменить угол открытия. Для того, чтобы изменить угол обстрела, одна обычно используемая техника — установить синхронизирующий сигнал для каждого тиристора. Видно, что нулевой угол происходит через 30 градусов после пересечения нуля соответствующим фазовым напряжением. Если синхронизирующий сигнал — синусоидальным сигналом, это должно сдвинуть соответствующую фазу на 30° а затем схеме нужно производить сигнал открытия может быть подобен описанному для однофазного. Вместо одного такая схема для однофазового выпрямителя нам нужно три такие схемы. Когда 3-фазный источник соединился с выпрямителем в звезду, линейные напряжения и фазовые напряжения имеют разницу 30° фазового угла, как показано ниже.

Линейное напряжение может также быть получено, как:

Это линейное напряжение отстает напряжения фазы А на 30° и имеет амплитуду, которая является 1.732 раз больше амплитуды фазного напряжения. Синхронизирующий сигнал для тиристора s1 может быть получен основанным на напряжении Vac линии. Синхронизирующие сигналы для других тиристоров могут быть получены подобным образом.

Чтобы получить синхронизирующие сигналы, три контрольных трансформатора могут использоваться с первичными обмотками, соединенными в дельте и вторичных в звезде, как показано ниже.

Для s₁, напряжение v_s1 используется в качестве синхронизирующего сигнала. Напряжение v_s2 используется в качестве синхронизирующего сигнала для тиристора s₂ и так далее. Формы волны, представленные синхронизирующими сигналами, есть, как показано ниже. Формы волны не показывают эффект соотношения поворотов, так, как любое мгновенное значение было нормализовано относительно своего пикового значения. Например, пусть первоначальное фазовое напряжение составляет 240 v а затем его пиковое значение составляет 339.4 вольт первоначальное напряжение нормализуется относительно 339 вольт. Если пиковое напряжение каждой половины вторичной обмотки составляет 10 v, вторичное напряжение нормализуются относительно 10 вольт.

Математический анализ.

Анализ этого трехфазного управляемого выпрямителя во многих отношениях подобен анализу цепи однофазного мостового выпрямителя. Мы заинтересованы в выходном напряжении и токе источника. Среднее выходное напряжение, среднеквадратичное выходное напряжение, содержание колебаний в выходном напряжении, полный среднеквадратичный ток, среднеквадратичный ток основной гармоники, суммарный коэффициент гармоник в линейном токе, смещение коэффициента мощности и очевидный коэффициент мощности должны быть определены. В этой секции, анализ осуществляется предполагая, что ток нагрузки — устойчивый постоянного тока.

Среднее выходное напряжение.

Перед получением выражения для выходного напряжения, предпочтительно выяснить, как форма волны выходного напряжения изменяется с изменением угла открытия. В одном цикле напряжения источника, шесть пар проводят, каждая пара для 60°. Это означает, что период для формы выходной волны – 1/6 периода линейного напряжения. Форма выходной волны повторяет себя шесть раз в одном цикле входного напряжения. Форма выходного напряжения может быть определено рассмотрением одной пары. Видно, что, когда Vа(&#0920)= e* sin (&#0920), тиристоры s1 и s6 проводят, когда &#0920 изменяется от 30 + &#0945 до 90° + &#0945 , где &#0920 — угол обстрела.

Форма волны на выходе может чертиться для различных углов открытия. Апплет ниже принимает угол открытия, как вход и чертит выходное значение. Пиковое междуфазное напряжение отмечено, как ‘u’ и апплет начинается с момента включения тиристора и показывает форму выходной волны в течение одного цикла. Среднее выходное напряжение мостовой схемы вычисляется как указано ниже, с изменением в переменной, где &#0920 = &#0945 + 60 0

В выражении выше, U — пиковое междуфазное напряжение, тогда как E — амплитуда фазового напряжения 3-фазового источника.

Выходное напряжение тиристоров.

Напряжение на выходе тиристоров вычисляется как указано ниже:

Струйчатый фактор выведенного напряжения есть тогда:

Апплет ниже показывает среднее выходное напряжение, выходное напряжение тиристоров и коэффициент пульсаций для случая непрерывной проводимости через нагрузку.

Видно, что среднее выходное напряжение отрицательно, когда угол открытия превышает 90°. Это означают, что электрический ток от стороны постоянного тока к источнику переменного тока. Когда угол открытия держится в районе 0°

МОДЕЛИРОВАНИЕ

Апплет, показанный ниже, симулирует кругооборот в форме воодушевления. Единственный параметр, который установлен, — угол обстрела и программа может управляться для однотактного или ступить. Вы можете щелкнуть по кнопке Паузы к паузе и рассматривать показ.