Мост ларионова принцип работы

Трехфазный мостовой выпрямитель – 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.

В данном конкретном случае – шесть фаз постоянного напряжения вместо трех, которые были в однотактной схеме. Вот почему требования к сглаживающему фильтру снижаются, и в некоторых случаях без него можно полностью обойтись.

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. Вот, взгляните на схему с 12 диодами:

Здесь трехфазный трансформатор содержит две трехфазные вторичные обмотки, причем одна из групп объединена в схему «треугольник», вторая — в «звезду». Количества витков в обмотках групп отличаются в 1,73 раза, что позволяет получить со «звезды» и с «треугольника» одинаковые величины напряжения.

В данном случае сдвиг фаз напряжений в этих двух группах вторичных обмоток относительно друг друга получается равен 30°. Поскольку выпрямители включены последовательно, то выходное напряжение суммируется, и на нагрузке частота пульсаций оказывается теперь в 12 раз большей по отношению к сетевой частоте, при этом уровень пульсаций получается меньшим.

Мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3.2) состоит из трехфазного трансформатора и комплекта диодов, собранных по трехфазной мостовой схеме (схема профессора А.Н. Ларионова).

В схеме выпрямителя используется шесть диодов: VD1. VD6. Три диода (VD1, VD3, VD5) соединены в катодную группу. Их общая точка имеет положительную полярность. Из этих трех диодов проводящим будет тот, на аноде которого в данный момент наиболее высокий положительный потенциал. Три диода (VD2, VD4, VD6) соединены в общую точку анодами и образуют анодную группу.

Их общая точка имеет отрицательную полярность. Из диодов анодной группы проводящим будет тот, на катоде которого наиболее отрицательный потенциал. В каждый момент времени в рассматриваемой схеме выпрямителя, как и в однофазной мостовой схеме, открыты два диода: один – в катодной, а другой – в анодной группах. Каждый диод работает в течение одной трети периода (рис.3.2, г, д), что отражено на графиках для токов катодной (i_VDк) и анодной (i_VDa) групп.

Рисунок 3.2 – Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова):

а – электрическая принципиальная схема;

б-е – диаграммы напряжений и токов

На рис. 3.2,б изображены кривые мгновенных значений напряжений в фазах вторичных обмоток трансформатора u_а, u_b, u_c а на рис. 3.2, в – кривые выпрямленных напряжения u_d и тока i_d. На интервале t₁–t₂, равном p/3, напряжение фазы a (u_a) имеет наибольшее положительное значение и, следовательно, на аноде диода VD1 потенциал наиболее высокий, т.е. диод VD1 открыт. Наибольшее отрицательное значение на этом же интервале имеет напряжение фазы b(u_b), т.е. катод диода VD4 имеет наибольший отрицательный потенциал, отпирающий этот диод.

Таким образом, на интервале t₁ – t₂ к сопротивлению нагрузки через открытые диоды VD1 и VD4 будет приложено линейное напряжение между точками a и b (u_ab). Под действием этого напряжения ток будет протекать по цепи: + u_а, VD1, R_d, VD4, –u_b. В момент t₂ (M₁ – точка естественной коммутации диодов) мгновенные значения напряжений u_в и u_с равны, а далее напряжение u_c будет более отрицательным. Это приведет к открытию диода VD6. Диод VD1 будет оставаться открытым, так как u_a остается положительным.

На интервале t₂ – t₃, также равном p/3, будут открыты диоды VD1 и VD6, к сопротивлению нагрузки будет приложено линейное напряжение между точками а и с, и ток будет протекать в том же направлении по цепи: +u_а, VD1, R_d, VD6, –u_с. В момент t₃ (точка N₁) произойдет переключение диодов VD1 и VD3; диод VD3 откроется, так как u_в будет равным u_a и далее большим, а диод VD1 закроется.

Поскольку на нагрузку работают две последовательно соединенные вторичные фазовые обмотки трансформатора, то график выпрямленного напряжения u_d представляет собой сумму огибающих фазовых напряжений работающих обмоток трансформатора.

Можно сформулировать правило: в схеме в любой момент времени открыты только два вентиля – а именно те, через которые к резистору нагрузки приложено наибольшее линейное напряжение

Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения, как видно из рис.3.2, в, в 6 раз меньше периода изменения тока сети (Т₁ = Т_с/6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз больше частоты тока питающей сети (f₁ = 6f_c). Несмотря на то, что схема получает электропитание от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме.

Мгновенное значение выпрямленного напряжения равно линейному напряжению работающих одновременно фаз:

(3.3)

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

(3.4)

Приняв для удобства за начало отсчета точку О₁ на огибающей u_d (посредине между t₁ = p/6 и t₂ = 3p/6 на рис.3.2, в), выразим среднее значение выпрямленного напряжения через функцию косинуса

(3.5)

Основные соотношения, показатели качества выпрямления и энергетические параметры трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления приведены в таблице 3.1.

Достоинства трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления по сравнению с предыдущими схемами перечислены ниже .

1. Отсутствие вынужденного подмагничивания постоянной составляющей выпрямленного тока, что обеспечивает высокое значение коэффициента использования трансформатора.

2. Малая амплитуда обратного напряжения.

3. Возможность включения вентилей непосредственно в сеть переменного тока (без трансформатора), если напряжение имеет требуемую величину.

Основным недостатком данной схемы выпрямления является необходимость применения шести вентилей вместо трех по сравнению с предыдущей схемой Миткевича.

Трехфазные мостовые выпрямители находят наиболее широкое применение в ИВЭ РЭС при питании от трехфазных первичных источников.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше. 9232 – | 7345 – или читать все.

194.79.20.244 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Что такое диодный мост и как он работает?

Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Рис. 1. Принцип работы диодного моста

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

• На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
• Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
• Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
• Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Рис. 2. Обозначение на схеме

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Технические характеристики

При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.

Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:

• Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как U_Аобр в отечественных моделях или V­_rpm для зарубежных.
• Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение U_обр в отечественных образцах или V­_r(rms) для зарубежных диодных мостов.
• Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как I_пр или I_o для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно.
• Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как I_fsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе.
• Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как V­_fm.

Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

• И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
• За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
• Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
• Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.

Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.

Практическое применение

На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения – это и цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения. Помимо этого их можно встретить в системах звуковоспроизведения, измерительной техники, теле- радиовещания, они устанавливаются в ряде различных устройств по всему дому. Для лучшего понимания роли диодного моста в этих приборах мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он применяется.

Примеры схем с диодным мостом и их описание

Одна из наиболее простых схем с применением диодного моста – это зарядное устройство, применяемое для оборудования, питаемого низким напряжением. Один из таких вариантов рассмотрим на следующем примере

Рис. 5. Схема зарядного устройства

Как видите на рисунке, от понижающего трансформатора Т1 напряжение из переменного 220В преобразуется в переменное на уровне 7 – 9В. После этого пониженное напряжение подается на диодный мост VD, от которого выпрямленное через сглаживающий конденсатор С1 на микросхему КР. От микросхемы выпрямленное напряжение стабилизируется и выдается на клеммы разъема.

Рис. 6. Схема карманного фонаря

На рисунке выше приведен пример схемы карманного фонаря, данная модель подключается к бытовой сети 220В через розетку, что представлено соединением разъема Х1 и Х2. Далее напряжение подается на мост VD, а с него уже на микросхему DA1, которая при наличии входного питания сигнализирует об этом через светодиод HL1. После этого напряжение питания приходит на аккумулятор GB, который заряжается и затем используется в качестве основного источника питания для лампы фонарика.

Пример схемы сварочного агрегата

Здесь представлен пример схемы сварочного агрегата, в котором диодный мост устанавливается сразу после понижающего трансформатора для выпрямления электрического тока. Из-за сложности схемы дальнейшее рассмотрение работы устройства нецелесообразно. Стоит отметить, что существуют и другие устройства с еще более сложным принципом работы – импульсные блоки питания, ШИМ модуляторы, преобразователи и т.д.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема приме­няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора , как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжениеданного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значениивеличинабудет в два раза меньше [2, 3]:

, ,

что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

Максимальное обратное напряжение вентиля данной схемы, как и в трехфазной схеме со средней точкой, равно амплитуде линейного вторичного напряжения. Однако ввиду того, что при том же значении величинав данной схеме в два раза меньше, соотношение здесь получается более предпочтительным

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.

За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока вентиля соответственно составляет . При этом интервал совместной работы двух вентилей равен π/3 (60º).

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.

На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений (“звезда” или “треугольник”) вторичных обмоток трансформатора.

Коэффициент использования трансформатора для различных схем выпрямления при активной нагрузке

Аналогично рассмотренной схеме со средней точкой могут быть определены габаритная мощность и коэффициент использования трансформатора по мощности для любых схем выпрямления при чисто активной нагрузке [2, 3]:

Что такое трехфазное выпрямление, принцип работы и схемы

В данной статье поговорим про трехфазный выпрямитель (контролируемый и неконтролируемый). Подробно опишем его принцип работы, а так же рассмотрим схемы полуволнового и полноволнового трехфазного выпрямителя.

Описание

В предыдущей статье мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением, причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на полупроводниковых диодах. На самом деле выпрямление переменного напряжения является одним из самых популярных применений диодов, так как диоды недорогие, небольшие и надежные, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных цепей, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо всего один встроенный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, такие как в домах и офисах, обычно имеют фазо-нейтральное напряжение 120 или 240 Врм, также называемое линией нейтрали (LN), и номиналом постоянного напряжения и частоты, которые создают переменное напряжение или ток в форму синусоидальной формы волны с сокращением «AC».

Трехфазные выпрямители, также известные как многофазные выпрямительные схемы, аналогичны предыдущим однофазным выпрямителям. Разница на этот раз в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным генератором.

Преимущество здесь состоит в том, что трехфазные выпрямительные схемы могут использоваться для питания многих промышленных устройств, таких как управление двигателем или зарядка аккумулятора, которые требуют более высоких требований к мощности, чем однофазная выпрямительная схема.

Трехфазные источники питания развивают эту идею на один шаг вперед, комбинируя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, причем каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы имеют сдвиг по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или поворот фазы на 360 o ÷ 3 = 120 o, как показано.

Трехфазная форма волны

Преимущество здесь заключается в том, что трехфазный источник переменного тока (AC) может использоваться для подачи электроэнергии непосредственно на сбалансированные нагрузки и выпрямители. Поскольку трехфазный источник питания имеет фиксированное напряжение и частоту, он может использоваться в схеме выпрямления для получения энергии постоянного тока с постоянным напряжением, которая затем может быть отфильтрована, что приводит к выходному напряжению постоянного тока с меньшей пульсацией по сравнению с однофазной выпрямительной схемой.

Принцип работы

Видя, что 3-фазный источник питания — это просто три однофазные комбинации, мы можем использовать это многофазное свойство для создания 3-фазных цепей выпрямителя.

Как и в случае однофазного выпрямления, в трехфазном выпрямлении используются диоды, тиристоры, транзисторы или преобразователи для создания полуволновых, двухволновых, неконтролируемых и полностью управляемых выпрямительных цепей, преобразующих данный трехфазный источник питания в постоянный выходной уровень постоянного тока. В большинстве случаев трехфазный выпрямитель подается напрямую от электросети или от трехфазного трансформатора, если подключенная нагрузка требует другого уровня выхода постоянного тока.

Как и в случае предыдущего однофазного выпрямителя, наиболее простой трехфазной выпрямительной схемой является схема неуправляемого полуволнового выпрямителя, в которой используются три полупроводниковых диода, по одному диоду на фазу, как показано ниже.

Полуволновое трехфазное выпрямление

Так как же работает эта трехфазная полуволновая выпрямительная схема? Анод каждого диода подключен к одной фазе источника напряжения с катодами всех трех диодов, соединенных вместе в одну положительную точку, эффективно создавая схему диода типа «ИЛИ». Эта общая точка становится положительной (+) клеммой нагрузки, в то время как отрицательная (-) клемма нагрузки подключается к нейтрали (N) источника питания.

Предполагая, что чередование фаз красно-желто-синее (V _A — V _B — V _C ) и красная фаза (V _A ) начинается при 0 o . Первым проводящим диодом будет диод 1 ( D ₁ ), так как он будет иметь более положительное напряжение на своем аноде, чем диоды D ₂или D ₃ . Таким образом, диод D ₁ проводит для положительного полупериода V _A, в то время как D ₂ и D ₃ находятся в их обратном смещенном состоянии. Нейтральный провод обеспечивает обратный путь тока нагрузки к источнику питания.

Через 120 электрических градусов диод 2 (D ₂ ) начинает проводить для положительного полупериода V _B (желтая фаза). Теперь его анод становится более положительным, чем диоды D ₁ и D _3, которые оба «выключены», потому что они смещены в обратном направлении. Аналогичным образом , 120 о дальнейшем V _С(синия фаза) начинает возрастать поворачивая «ON» диод 3 (D ₃ ) в качестве анода становится более положительным, таким образом, превращая «OFF» диоды D ₁ и D ₂ .

Затем мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления, какой бы диод не имел более положительного напряжения на своем аноде, по сравнению с двумя другими диодами, он автоматически начнет проводить, тем самым давая схему проводимости: D ₁ D ₂ D _3, как показано.

Из приведенных выше сигналов для резистивной нагрузки видно, что для полуволнового выпрямителя каждый диод пропускает ток в течение одной трети каждого цикла, а выходной сигнал в три раза больше входной частоты источника переменного тока. Следовательно, в данном цикле имеется три пика напряжения, поэтому за счет увеличения количества фаз от однофазного до трехфазного источника улучшается выпрямление источника питания, то есть выходное напряжение постоянного тока становится более плавным.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя напряжения питания V _A V _B и V _C сбалансированы, но с разностью фаз 120 o , что дает:

V _A = V _P * sin (ωt — 0 o )

V _B = V _P * sin (ωt — 120 o )

V _C = V _P * sin (ωt — 240 o )

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя задается как:

Поскольку напряжение обеспечивает пиковое напряжение V _P равно V _RMS * 1,414, из этого следует, что V _P равно V _P / 1,414, что дает 0,707 * V _P , поэтому среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя можно выразить через среднеквадратичное фазное напряжение, дающее:

Полноволновое трехфазное выпрямление

В двухволновой трехфазной неконтролируемой мостовой выпрямительной схеме используются шесть диодов, по два на фазу аналогично однофазному мостовому выпрямителю. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель получается с использованием двух схем полуволнового выпрямителя. Преимущество здесь состоит в том, что схема производит более низкий пульсационный выход, чем предыдущий полуволновой 3-фазный выпрямитель, поскольку его частота в шесть раз превышает входной сигнал переменного тока.

Кроме того, двухполупериодный выпрямитель может питаться от сбалансированного 3-фазного 3-проводного треугольника, подключенного треугольником, поскольку четвертый нейтральный (N) провод не требуется. Рассмотрим ниже трехполупериодную трехфазную схему выпрямителя.

Как и раньше, при условии чередования фаз красного-желтого-синего (V _A — V _B — V _C) и красной фазы (V _A ) начинается при 0 o . Каждая фаза подключается между парой диодов, как показано на рисунке. Один диод проводящей пары питает положительную (+) сторону нагрузки, в то время как другой диод питает отрицательную (-) сторону нагрузки.

Диоды D _1, D _3, D ₂ и D ₄ образуют мостовую выпрямительную сеть между фазами A и B, аналогично диоды D ₃ D _5, D ₄ и D ₆ между фазами B и C и D _5, D _1, D ₆ и D ₂ между фазами C и А.

Таким образом, диоды D _1, D ₃ и D ₅ питают положительную шину и в зависимости от того, какая из них имеет более положительное напряжение на своем анодном выводе, проводит. Аналогично, диоды D _2, D ₄ и D ₆ питают отрицательную шину, и какой диод имеет более отрицательное напряжение на своих катодных выводах.

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления диоды проводят в совпадающих парах, давая схему проводимости для тока нагрузки: D _1-2 D _1-6 D _3-6 D _3-6 D _3-4 D _{5- 4} D _5-2 и D _1-2, как показано.

В трехфазных силовых выпрямителях проводимость всегда происходит в наиболее положительном диоде и соответствующем наиболее отрицательном диоде. Таким образом, когда три фазы вращаются через выводы выпрямителя, проводимость передается от диода к диоду. Затем каждый диод проводит в течение 120 o (одну треть) в каждом цикле питания, но так как требуется два диода для проводки в парах, каждая пара диодов будет проводить только 60 o (одну шестую) цикла в любой момент времени, так как показано выше.

Поэтому мы можем правильно сказать, что для трехфазного выпрямителя, питаемого от «3» вторичных обмоток трансформатора, каждая фаза будет разделена на 360 o / 3, таким образом, требуя 2 * 3 диода. Отметим также, что в отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, между входной и выходной клеммами выпрямителя нет общего соединения. Следовательно, он может питаться от звезды или от трансформатора.

Таким образом, среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя задается как:

Где: V _S равно (V _{L (PEAK)} ÷ √ 3 ), а где V _{L (PEAK)} — максимальное линейное напряжение (V _L * 1,414).

Резюме трехфазного выпрямления

В этой статье мы увидели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, когда выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного тока. Таким образом, выпрямление мощности превращает переменный источник в однонаправленный источник.

Но мы также видели, что 3-фазные неконтролируемые полуволновые выпрямители, которые используют один диод на фазу, требуют подключения в виде звезды в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, который использует два диода на фазу, требует только трех линий электропередачи, без нейтрали, такой как та, которая обеспечивается питанием от треугольника.

Другим преимуществом двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что ток нагрузки хорошо сбалансирован по мосту, что повышает эффективность (отношение выходной мощности постоянного тока к подводимой входной мощности) и снижает содержание пульсаций, как по амплитуде, так и по частоте, по сравнению с полуволновой конфигурацией.

Увеличивая количество фаз и диодов в конфигурации моста, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, как, например, при 6-фазном выпрямлении каждый диод будет проводить только одну шестую цикла. Кроме того, многофазные выпрямители производят более высокую частоту пульсаций, что означает меньшую емкостную фильтрацию и намного более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неконтролируемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсации для различных применений.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Мостовая схема трехфазного выпрямителя (схема Ларионова).

В этой схеме (рис. 6.25) включены 6 диодов, которые выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. При этом в любой произвольный момент времени ток проводят два диода, у которых на аноде – наибольшее положительное напряжение, а на катоде – наибольшее отрицательное. Достоинства схемы Ларионова: отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током, вдвое меньшее (по сравнению с предыдущей схемой) обратное напряжение, малый коэффициент пульсаций и вдвое увеличенная частота пульсаций (f_n = 6f_c). Все это позволяет во многих случаях не использовать выходной фильтр. Вот значения основных показателей:

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель отличается самыми лучшими показателями по пульсациям выпрямленного напряжения и тока за счет выпрямления обоих полупериодов в каждой фазе. При этом частота пульсаций возрастает в шесть раз по сравнению с частотой первичного источника переменного напряжения, что упрощает процедуру фильтрации выпрямленного напряжения.

При положительном полупериоде напряжения в фазе А ток через диод VD будет протекать не в течение всего полупериода, а только в той его части, когда U_2a будет больше и₂ъ и U_2c, т. е. в течение 1/3 периода (2я/3). Причем с момента открытия диода t и до момента t₂ ток нагрузки будет протекать под воздействием линейного напряжения U_ab по контуру: точка а – VD – R_H – VD₅ – точка b, а с момента t₂ и до момента t₃ ток нагрузки будет протекать под воздействием линейного напряжения U_ac по контуру: точка a – VD-R_H– VD₆ – точка с.

В оставшуюся часть периода (47г/3) диод VD закрыт и к нему приложено обратное напряжение, изменяющееся по закону текущего изменения линейного напряжения U_bc, причем максимальное значение обратного напряжения U₀б_Р. щах равно амплитуде линейного напряжения, а по фазе оно совпадает вначале с моментом перехода через нуль напряжения U_2c, а затем – напряжения U_2h (рис. 6.25, а).

Аналогично будет протекать процесс в фазах В и С (рис. 6.25, б и в).

Для удобства сравнения различных схем выпрямления при определении параметров данного выпрямительного устройства они приводятся к фазным напряжениям вторичной обмотки трансформатора.

Значения параметров трехфазного двухполупериодного выпрямителя:

• среднее значение выпрямленного напряжения:

Рис. 6.25. Мостовая схема трехфазного выпрямителя: а – схема включения; б – напряжение; в – выпрямленный ток

• действующее значение выпрямленного напряжения:

• среднее значение выпрямленного тока:

• действующее значение выпрямленного тока:

• коэффициент преобразования выпрямителя:

• коэффициент формы тока:

• коэффициент пульсации тока нагрузки (отношение действующего значения переменной составляющей выпрямленного тока к его среднему значению):

• коэффициент использования выпрямительного диода VD по напряжению:

• коэффициент эффективности преобразования переменного тока в постоянный (КПД преобразования) – отношение мощности постоянного тока к среднему значению мощности нагрузки:

В табл. 6.2 представлены расчетные значения основных выходных показателей типовых схем выпрямительных устройств для случая синусоидального входного напряжения и активной нагрузки без фильтра.