Багатофазні випрямлячі

Ця стаття не містить посилань на джерела. Ви можете допомогти поліпшити цю статтю, додавши посилання на надійні (авторитетні) джерела. Матеріал без джерел може бути піддано сумніву та вилучено. (січень 2018)

Ця стаття містить текст, що не відповідає енциклопедичному стилю. Будь ласка, допоможіть удосконалити цю статтю, погодивши стиль викладу зі стилістичними правилами Вікіпедії. Можливо, сторінка обговорення містить зауваження щодо потрібних змін. (січень 2018)

Для електроживлення споживачів середньої й великої потужності на практиці широко використовуються схеми випрямлячів трифазного живлення. Силові трансформатори таких випрямлячів складаються з трифазних первинних і вторинних обмоток. Первинні обмотки з'єднуються або в зірку, або в трикутник. Вторинні обмотки за допомогою спеціальних схем з'єднання дозволяють отримувати випрямлену напругу з числом пульсацій за період мережі живлення, кратним трьом. Це дозволяє зі збільшенням числа пульсацій в випрямленій напрузі значно зменшити обсяг і масу згладжувальних фільтрів, або взагалі виключити їх використання. Використання трансформатора в випрямному пристрої дозволяє забезпечувати гальванічну розв'язку первинного джерела живлення і ланцюгів навантаження, перетворювати величину вхідної напруги, перетворювати число фаз. При використанні трифазних випрямлячів забезпечується рівномірне навантаження на трифазну мережу. Підвищується і коефіцієнт використання трифазного трансформатора випрямного пристрою.

Трифазна схема випрямлення з нульовим виводом (рис.1) містить трифазний трансформатор TV₁,три діоди VD₁, VD₂, VD₃ та навантаження Rн. Вторинна обмотка трансформатора обов'язково з'єднується зіркою. Розглянемо роботу схеми. На рис. 2 зображена трифазна схема напруг вторинних обмоток трансформатора. У момент t₁, коли U_A позитивна, а U_B та U_C негативні, струм протікатиме тільки через вторинну обмотку і діод VD₁. Миттєве значення цього струму:

                    id1=iA=UA/Rн

Внаслідок протікання струму потенціал катода VD₁ буде рівний потенціалові його анода, тобто U_A . Оскільки катоди діодів усіх фаз об'єднані, то потенціали катодів VD₂ та VD₃ теж будуть рівні U_A . Тому, поки напруга фаз В і С менша напруги U_A, діоди VD₂ та VD₃ не будуть проводити струм. У момент t₂ діод VD₂ починає проводити струм, напрям якого в навантаженні збігається з напрямом струму в попередню третину періоду. До VD₁ виявляється прикладеною негативна напруга (U_A<U_B) і він закривається. Так само, у момент t₃ провідним стає діод VD₃, а VD₂ закривається. Завжди працює той діод, анод якого знаходиться під найбільшим позитивним потенціалом. Діод працює 1/3 періоду. Тому струм діода I_d=I₀ ⁄ 3. Максимальна величина зворотної напруги на вентилі дорівнює амплітуді лінійної напруги:

                                               UVDmax=Uлmax=√3E2фmax=2.1U0

• низьким рівнем пульсації випрямленої напруги
• використанням малої кількості елементів
• коефіцієнтом пульсацій випрямленої напруги (Кд≈25 %)
• невеликою зворотною напругою на вентилі U_VDmax≅2.1U_d
• низьким ККД
• вимушеним намагнічуванням трансформатора
• поганим використанням потужності трансформатора

Найбільше поширення одержала трифазна мостова схема, показана на рис. 3. Часові діаграми струмів і напруг, що пояснюють роботу схеми при активному навантаженні, показані на рис.4. Шість вентилів випрямляча умовно розбивають на дві групи: вентилі V₁, V₃, V₅ складають катодну групу (мають спільний катод), а V₂, V₄, V₆ — анодну групу (мають спільний анод). Кожен вентиль випрямляча пропускає струм протягом 1/3 періоду напруги мережі (тривалість відкритого стану вентиля -λ=2π⁄3). В анодній групі в кожен момент часу працює той вентиль, напруга на катоді якого найбільш негативна. У катодній групі буде пропускати струм той вентиль, на аноді якого найбільш позитивна напруга (рис.4). Таким чином, у випрямлячі одночасно пропускають струм два вентилі: один з катодної, а інший з анодної групи. Значення напруги на навантаженні визначається різницею напруг фаз із найбільш позитивною та найбільш негативною напругою, тобто лінійною напругою (рис.4). Так як кожна фаза пов'язана з двома вентилями, по ній протікає струм цих вентилів, причому струм протікає двічі за період в протилежних напрямках (рис.3). Завдяки цьому в мостовій схемі відсутнє явище підмагнічування осердя, що є перевагою даної схеми. До вентиля, що не працює, в мостовій схемі прикладена зворотна напруга, яка дорівнює різниці напруг фаз, пов'язаної з даним вентилем, і тієї фази, на якій в цей момент найбільш позитивна напруга. Максимальна величина зворотної напруги на вентилі дорівнює амплітуді лінійної напруги:

                                       UVDmax=√2U2л=√2√3U2ф=1.05U0

Діаграми рис.4 відображають випадок, коли струм з одного вентиля на іншій переходить миттєво, тобто здійснюється миттєва комутація. Однак у випрямлячах великої потужності, до яких відносяться трифазні випрямлячі, істотну роль відіграє індуктивність розсіювання обмоток трансформатора, в яких при протіканні струму накопичується енергія. При закриванні вентиля ця енергія не може миттєво розсіятися, тому струм у вентилі, що раніше проводив, спадає до нуля не миттєво, а протягом деякого інтервалу часу. Аналогічно, струм у вентилі, що вступає в роботу, не може стрибком збільшитися до свого номінального значення. При цьому протягом інтервалу часу γ (рис.3) виявляються відкритими два вентилі в катодній або анодній групі (рис. 5).

У випрямлячі на цьому етапі одночасно включені три вентилі. Інтервал γ називається інтервалом комутації, а саме явище одночасної роботи вентилів з однієї групи — явищем комутації. Внаслідок явища комутації тривалість роботи вентиля збільшується і стає рівною λ=2π⁄3+γ. Відповідно збільшується інтервал роботи фази трансформатора. На інтервалі комутації напруга в спільній точці вентилів, один з яких включається, а інший виключається, дорівнює півсумі напруг цих фаз, тобто менша, ніж у звичайному режимі. У випрямленій напрузі, внаслідок явища комутації, утворюються вирізані ділянки. В результаті, середнє значення випрямленої напруги зменшується, а коефіцієнт пульсацій на виході випрямляча збільшується. Тривалість інтервалу комутації γ пропорційна величині індуктивності розсіювання L_s, а також величині струму навантаження I_d. При збільшенні індуктивності зростає інтервал комутації.

Схему з’єднання зірка-трикутник використовують для того, щоб отримати непереривний струм в обмотках трансформатора, оскільки форма струму в обмотках трансформатора при з’єднанні за схемою зірка-зірка має імпульсний характер з паузою в 1/3 частину півперіоду, що знижує коефіцієнт потужності випрямляча.

де, k_т - коефіцієнт трансформації трансформатора, U₂ - діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора, U_2л і U_2ф відповідно діюче значення лінійної і фазової напруги вторинної обмотки трансформатора

• невеликою зворотною напругою на вентилі U_VDmax≅1.05U_d
• хорошим використанням потужності трансформатора і відсутністю вимушеного намагнічування
• малим коефіцієнтом пульсацій випрямленої напруги (К_д≈6 %)
• підвищеною частотою пульсацій випрямленої напруги (кратність пульсацій випрямленої напруги дорівнює 6)
• Завдяки своїм позитивним властивостям, схема знаходить найширше застосування

• Коефіцієнт пульсації — відношення амплітудного значення змінної складової U_(~max) до середнього значення (постійної складової) напруги U_d

                                                        КП=U(~max)/Ud

• Кратність пульсацій випрямленої напруги — відношення частоти пульсацій випрямленої напруги f_П до частоти мережі живлення f_М:

                                                           m=fп⁄fм

Для будь-якої схеми випрямляча, крім однофазної однопівперіодної, коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги можна визначити як

                                                          Кп=2/(m2−1)

• Навантажувальна характеристика — залежність середнього значення випрямленої напруги U_d від середнього значення струму у навантаженні I_d

                                                            Ud=f(Id)

• Внутрішній опір випрямляча r_i — відношення зміни постійної складової випрямленої напруги ∆U_d до відповідної зміни постійної складової струму навантаження ∆I_d

                                                            ri=∆Ud/∆Id

Внутрішній опір визначають за навантажувальної характеристикою випрямляча.

• Коефіцієнт використання вентилів випрямляча за напругою — відношення середнього значення випрямленої напруги U_d до амплітудного значення зворотної напруги на вентилях U_VDmax

                                                            КVDu=Ud/UVDmax

• Інтервал комутації γ — інтервал, протягом якого працюють два вентилі з однієї групи (катодної або анодної).
• Тривалість роботи вентилів випрямляча λ — тривалість інтервалу, протягом якого вентиль випрямляча пропускає струм. Цей інтервал залежить від схеми випрямляча та тривалості інтервалу комутації γ

                                                              λ=2π/m+γ

1. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Силовые преобразователи в электроснабжении. Учебное пособие.-Томск, Изд. ТПУ, 2006.
2. Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник.- Ленинград, Энергия, 1985.
3. Руденко В.И. и др. Основы преобразовательной техники. Учебник для ВУЗов, 2-е издание М.: Высш. шк., 1980-286с.

• Випрямлення змінного струму