Тема: Трехфазные выпрямители. Сглаживающие фильтры. Управляемые выпрямители.

ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Трехфазные выпрямители применяются для питания нагрузки средней и большой мощности.

Схема трехфазного однотактного выпрями­теля (с нулевым выводом) показана на рис. 15.6. Аноды вентилей VD1 — VD3 соединены с выводами вторичной обмотки трехфазного трансформатора, а катоды их объ­единены в один узел. Нагрузка R_Н включена между като­дами и нейтралью трансформатора. Так как катоды всех вентилей имеют один и тот же потенциал, то порядок их работы зависит от потенциалов на анодах, которые за­даются фазными напряжениями трансформатора.

Временные диаграммы работы схемы приведены на рис. 15.7.

A B C

VD1 VD2 VD3 Рис. 15.7

Рис. 15.6

 

В этот момент времени и_b <С 0, потенциал анода VD2 отрицательный и вентиль закрыт. Не работает и вентиль, VD1, потому что u _а = 0. Открытым оказывается VD3, у которого потенциал анода положителен. Напряжение на нагрузке равно фазному напряжению и_с. Сопротивление, открытого вентиля равно нулю и положительный потен­циал работающей фазы оказывается на катодах всех вентилей.

При t = t₁ напряжение и_а становится равным и_с, а затем больше и_с. В это время происходит переключение работающих вентилей. VD1 открывается и потенциал фазы а по­падает на катоды остальных вентилей. VD3 закрывается, так как и_а> и_с. Вентиль VD1 будет работать до момента t ₂, пока напряжение и_а не станет меньше и_b, VD1 закры­вается, a VD2 открывается. Таким образом, вентили работают поочередно. Каждый вентиль открыт в течение одной трети периода. Каждую треть периода меняется работающая фаза трансформатора, а напряжение на нагрузке суммируется. Ток нагрузки

Форма кривых тока и напряжения на нагрузке показана на нижнем графике рис. 15.7. В отличие от предыдущих выпрямителей ток нагрузки нигде не падает до нуля.

Для трехфазного однотактного выпрямителя:

U_2ф = 0,855U_н; (15.9)

S_paсч = 1,34Р_Н; (15.1O)

I_пр = I_Н/3. (15.11);

Неработающий вентиль включен на линейное напряжение, так как к его аноду приложен потенциал его фазы а к катоду через открытый вентиль — потенциал другой фазы. Поэтому амплитуда обратного напряжения

U_{о6р т}= U_2ф = 2,09U_н. (15.12)

По соотношениям (15.9), (15.10) выбирается транс­форматор, а по соотношениям (15.11), (15.12)—тип вентилей.

В данной схеме плохо используется трехфазный транс­форматор, который работает практически в однофазном режиме. Обратное напряжение на вентиле в 2 раза пре­вышает напряжение на нагрузке. Поэтому схема приме­няется для выпрямления низких напряжений.

Значительно лучшие показатели имеет трехфазная мостовая схема выпрямления, которая показана на рис. 15.8. Она широко применяется в большом диапазоне напряжений и мощностей. В этой схеме две группы вентилей. У вентилей VD1 — VD3 объединены катоды. Они работают так же, как вентили предыдущей схемы. Всегда вклю­чен тот вентиль, у которого более высокий потенциал на аноде. У вентилей VD4 — VD6 объеди­нены аноды, а катоды соединены с выводами обмотки трансформа­тора. Из этой группы в открытом состоянии будет тот вентиль, у которого ниже потенциал катода. Например, при t = 0 (см. рис. 15.7) в мостовой схеме будут включены VD1 и VD5.

Через включенные вентили VD1 и VD5 на нагрузку подается междуфазное или линейное напряжение U_Cb, так как она включена между выводами фаз с и b. Ток проте­кает по двум фазным обмоткам трансформатора. Вентили работают парами: один из катодной группы и один — из анодной.

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления:

U_2ф = 0,43U_н; (15.13)

S_paсч = 1,045Р_Н; (15.14)

I_пр = I_Н/3. (15.15);

На неработающем вентиле любой группы оказывается линейное напряжение, и амплитуда обратного напряжения

U_{о6р т}= U_2Л = U_2ф =1,045U_н. (15.16)

Соотношения (15.13) — (15.16) используются при выборе типовой мощности трансформатора и типа вентилей.

 

 

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Как показано на временных диаграммах выпрямителей на выходе выпрямителей получается пульси­рующее напряжение. Напряжение такой формы можно представить в виде суммы постоянного и переменного синусоидального напряжения, которое изменяется с часто­той, кратной частоте напряжения питающей сети. Чем меньше амплитуда переменной составляющей выпрямлен­ного напряжения U_m, тем ближе оно по форме к постоян­ному.

Для количественной оценки формы выпрямленного напряжения (для оценки качества выпрямления) вводят коэффициент пульсаций р:

Р= (15.17)

где U₀ — постоянная составляющая, или среднее значение выпрямленного напряжения.

Для однофазной однополупериодной схемы р=1,57. Это значит, что амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения в 1,57 раза больше постоян­ной составляющей. Частота переменной составляющей равна частоте напряжения сети, так как выпрямленное напряжение имеет одну пульсацию за период. Однофазная мостовая схема обеспечивает лучшую форму выпрямлен­ного напряжения. Для нее р = 0,67, а частота переменной составляющей равна удвоенной частоте сети.

Трехфазные схемы имеют коэффициент пульсаций меньше, чем однофазные (сравните рис. 15.5 и 15.7). Для однотактной схемы р = 0,25 и для мостовой р = 0,057. Частота переменной составляющей в этих схемах соответ­ственно в 3 и 6 раз больше частоты сети.

Условия работы потребителей, питающихся от выпря­мителя, зависят от формы выпрямленного напряжения. У некоторых из них из-за повышенных пульсаций сни­жается экономичность, увеличиваются потери, а у многих нарушается режим работы. Например, для нормальной работы большинства электронных приборов требуется, чтобы коэффициент пульсаций был не более 10^-2 — 10^-6.

Ни одна из рассмотренных схем выпрямления не обеспечивает такого коэффициента пульсаций. Поэтому большинство выпрямителей работает со сглаживающими фильтрами, которые применяются для уменьшения пере­менной составляющей выпрямленного напряжения. Основ­ной параметр сглаживающего фильтра — коэффициент сглаживания S:

S=p₁/p₂, (15.18)

где p₁ — коэффициент пульсаций схемы без фильтра; р₂ — коэффициент пульсаций на выходе сглаживающего фильтра.

Чтобы уменьшить коэффициент пульсаций на выходе фильтр должен снизить амплитуду переменной составляю­щей выпрямленного напряжения, не изменяя постоянной составляющей. Поэтому фильтры строятся на основе реак­тивных элементов электрической цепи — емкостей и индук­тивностей, сопротивление которых зависит от частоты.

Простой емкостный фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 15.9). Его работа поясняется временной диаграммой на рис. 15.10. При включении схемы под напряжение в те­чение первой четверти периода (0 - ) — конденсатор за­ряжается до напряжения U_2т. После этого напряжение и₂ становится меньше, чем напряжение на конденсаторе С_ф. Вентиль VD закрывается, а конденсатор разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток.

 

 

 

 

 

рис 15.9 рис 15.10

 

По мере разрядки напряжение на конденсаторе уменьшается. Постоянная времени этого процесса τ = R_НС_Ф. При t = T потенциал на аноде VD начинает нарастать. В момент времени, соответствующий точке b, диод открывается и конденсатор подзаряжается опять до U_2m.. Затем процесс повторяется. Напряжение на нагрузке меняется по кривой abc.

При τ >10T коэффициент сглаживания такого фильтра

S = 2 nf₁mR_НC_Ф • 10^-6,

где т — число пульсаций выпрямленного напряжения за период: для однофазной однополупериодной схемы т = 1, для однофазной мостовой т = 2; С_ф — емкость конденса­тора, мкФ; R_Н — сопротивление нагрузки, Ом.

Емкостный фильтр целесообразно применять в мало­мощных схемах при большом R_Н.

В мощных выпрямителях при малом значении R_H при­меняют простые индуктивные фильтры. Схема включения индуктивного фильтра показана на рис. 15.11.

Рис. 15.11

 

Он представляет собой дроссель, т. е. катушку на магнитопроводе. Сопротивление дросселя х = 2π f L_ф. Поэтому дроссель не оказывает сопротивление постоянной состав­ляющей тока, но для переменной составляющей падение напряжения на нем пропорционально х. При x R_n переменная составляющая напряжения практически полностью теряется на дросселе, на нагрузке будет только постоянная составляющая. Для индуктивного фильтра

S=

где L_ф — индуктивность дросселя, Гн.

Для получения больших коэффициентов сглаживания и уменьшения емкости С_ф и индуктивности L_ф часто приме­няют сложные фильтры. На рис. 15.12 показаны

 

схемы Г-образного (а) и П-образного (б) фильтров. При малом токе нагрузки индуктивность часто заменяют активным сопротивлением, что позволяет уменьшить массу и габари­ты фильтра, но ухудшает его другие показатели. С этой же целью часто применяют транзисторные сглаживающие фильтры.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Управляемыми называют выпрямители, выходное напряжение которых можно регулировать в процессе выпрямления.

Многие виды нагрузок требуют для своей работы постоянного напряжения, которое можно было бы плавно изменять в некоторых пределах. Применение для этой цели автотрансформаторов на стороне переменного тока и по­тенциометров или реостатов — на стороне постоянного неэкономично. Регулировочная аппаратура громоздка, и потери в ней значительно снижают КПД всей установки. Намного выгоднее в таких случаях использовать управляе­мые выпрямители.

Управляемые выпрямители строятся на основе тех же схем, что и неуправляемые, только вместо диодов в них применяются тиристоры.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 15.16. Она содержит тиристор VS. Тирис­тор управляется импульсом тока г_у, который вырабаты­вается блоком управления БУ. Блок управления состоит из формирователя импульсов и фазосмещающего устройства, которое позволяет автоматически или вручную изменять запаздывание импульсов по отношению к синусоидаль­ному анодному напряжению тиристора. Временные диаг­раммы, поясняющие работу схемы, приведены на рис. 15.17. При отрицательном напряжении на аноде тиристор

Рис. 15.16

 

всегда закрыт, поэтому отрицательные полусинусоиды на рисунке опущены.

Тиристор выбран таким образом, чтобы при отсутствии i_y он не открывался, т. е. U_вкл > U_2m. Тиристор открывается только при положительном полупериоде анодного напря­жения в момент прихода на управляющий электрод им­пульса i_y. Если импульс приходит в начале положитель­ного полупериода, то тиристор сразу открывается в момент t = 0 и весь положительный полупериод через него проте­кает ток нагрузки. Тиристор закрывается при изменении полярности анодного напряжения в момент ωt=π. В те­чение отрицательного полупериода он закрыт и открывает­ся снова в следующий положительный полупериод при подаче импульса i_y. Среднее значение напряжения на нагрузке в этом случае такое же, как и у неуправляемого выпрямителя (см. рис. 15.3):

U_Н0 = 0,45 U₂.

Пусть импульс i_y попадает на управляющий электрод тиристора VS с некоторым запозданием (ωt₁=α₁). Угол α называют углом управления. Тогда тиристор откроется не в начале полупериода, а несколько позже. Ток будет протекать в течение только части полупериода от α₁ до π. Среднее напряжение на нагрузке, пропорциональное пло­щади заштрихованной фигуры, станет меньше U_Н0. В слу­чае если α= π, то тиристор вообще не откроется и напря­жение на нагрузке будет равно нулю. Среднее значение напряжения на нагрузке зависит от угла управления:

U_Н = U_Н0 ,

и Рис. 15.18

Следовательно, изменяя угол управления от 0 до π, можно регулировать среднее значение выпрямительного напря­жения от U_Но до 0. По такому же принципу работают и бо­лее сложные выпрямители.

На рис. 15.18 показана тиристорная схема управления электродвигателем постоянного тока. Якорь двигателя включен между средней точкой вторичной обмотки транс­форматора и катодами тиристоров VS1 и VS2. Дроссель L используется в качестве сглаживающего фильтра. Обмот­ка возбуждения ОВ получает питание от независимого источника. Управляющие импульсы вырабатываются бло­ком управления БУ. Угол управления α регулируется изменением управляющего напряжения U_y. Тиристоры включены в цепь таким образом, что в любой момент времени на их анодах будут потенциалы противоположно­го знака. Если в первый полупериод потенциал анода VS1 положительный, то потенциал анода VS2 — отрица­тельный. Поэтому тиристоры работают по очереди. При α = 0 форма напряжения на нагрузке будет такая же, как на рис. 15.5. Среднее значение напряжения на обмотке якоря

U_Н0 = 0,9 U₂.

При α > 0 тиристоры работают только в течение части полупериода и среднее значение напряжения стано­вится меньше. При α = π тиристоры закрыты, U_Н = 0.

Известно, что частота вращения якоря двигателя постоянного тока

n=

Таким образом, изменяя с помощью тиристорного преобразователя U, можно включать двигатель и плавно регулировать его скорость. Этот метод получил в настоящее время наиболее широкое распространение в автоматизи­рованном электроприводе. Как и применявшееся ранее бесконтактное управление с помощью магнитных усилите­лей, он достаточно надежен и прост в эксплуатации, так как схема не содержит подвижных частей и контактов. Однако по сравнению со схемами управления на магнит­ных усилителях схемы на тиристорах имеют лучшие показатели: меньшую инерционность, более высокий КПД, значительно меньшие габариты и массу. Отечественная промышленность выпускает комплектные тиристорные электроприводы с электродвигателями мощностью от нескольких десятых киловатта до тысяч киловатт.