- Описание выпрямителей
- Выпрямление трехфазного тока
- Преимущества и недостатки
- Принцип действия
- Однополупериодный многофазный выпрямитель
- Принцип действия двухполупериодной схемы
- Двухполупериодный выпрямитель
- Трехфазные выпрямители: нулевой, мостовой
- Мостовые устройства
- Мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова)
- Особенности трехфазного моста и варианты его построения
- Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель
- Сравнение однофазных и трехфазных устройств
- Схема ларионова на диодах для трех фаз
Описание выпрямителей
Трехфазный мостовой выпрямитель
Основное отличие приборов от однофазных аналогов заключается в следующем:
- первые устанавливаются на линии 220 Вольт и используются для получения постоянных токов небольшой амплитуды (до 50 Ампер);
- трехфазные выпрямители используются в схемах, где рабочие (выпрямленные) токи значительно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен ампер.
- по сравнению с однофазными образцами эти устройства имеют более сложную конструкцию.
Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить минимальный уровень пульсаций на выходе.
В электротехнике их называют «трехфазные мостовые выпрямители», потому что по способу открытия диодов, контролируемых полярностью напряжения, они напоминают односторонний мост через реку. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, что недоступно для автомобилей, чтобы попеременно проходить в каждую сторону.
Выпрямление трехфазного тока
В цепях трехфазного переменного тока промышленной частоты (50 Гц) используются две основные выпрямительные схемы: трехфазный выпрямитель с нейтралью и трехфазный мостовой выпрямитель. Трехфазные выпрямители используются как выпрямители средней и большой мощности (средние значения выпрямленного тока достигают сотен ампер).
Трехфазный выпрямитель с нейтральной точкой включает трехфазный трансформатор, соединенный звездой, три диода, включенные в каждую фазу вторичной обмотки трансформатора, и нагрузочный резистор.
Выпрямительные диоды работают поочередно, каждый по трети периода. Ток нагрузки равен сумме токов каждого диода и всегда имеет одинаковое направление. Как видно из временной диаграммы, пульсации выпрямленного напряжения намного меньше, чем у однофазных выпрямителей. Среднее значение напряжения, где — действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
К достоинствам выпрямителя с нейтральной точкой можно отнести его высокую надежность и минимальное количество диодов.
Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) содержит шесть диодов, подключенных по мостовой схеме к фазам вторичной обмотки трехфазного трансформатора.
Общая точка первой группы диодов VD1, VD3, VD5 — положительный полюс на нагрузочном резисторе, а второй группы VD2, VD4, VD6 — отрицательный полюс. В выпрямителе ток проходит через нагрузочный резистор и два соответствующих диода всякий раз, когда на диоды подается максимальное напряжение. Кроме того, в каждом временном интервале токи всегда имеют одинаковое направление. Коэффициент пульсаций трехфазного мостового выпрямителя на порядок меньше (q = 0,057), чем у однофазного двухполупериодного выпрямителя. Среднее выпрямленное напряжение
Достоинства: высокая частота и низкая пульсация выпрямленного напряжения, что уменьшает размер и вес сглаживающего фильтра; хорошее использование затвора напряжения, что позволяет получить высокое выпрямленное напряжение. Главный его недостаток — необходимость в шести клапанах.
Второй вариант, две двери открыты в любой момент: одна со стороны катодной группы, другая со стороны анодной группы. В катодной группе ток протекает через вентиль, на аноде которого положительный потенциал в данный момент самый высокий, а в анодной группе ток протекает через вентиль, на катоде которого в данный момент отрицательный потенциал больше. Затем в интервале времени от t 1 до t 2 ток протекает через клапаны VD1 и VD5, в интервале от t 2 до t 3 через клапаны VD1 и VD6 и так далее, поскольку эти направления напряжения являются проводящими для их, а отрицательные полуволны выпрямляются клапанами анодной группы. В результате на нагрузке формируется напряжение uн, равное сумме выпрямленных напряжений катодной и анодной групп, т.е участков переменного линейного напряжения uab, ubc и uca с частотой в шесть раз превышающей частоту сетевое напряжение. Ток протекает через каждый клапан в течение одной трети периода.
Преимущества и недостатки
Помимо диодного моста есть и другие способы преобразования переменного тока в постоянный. По сравнению с полуволновым шлифованием полноволновое шлифование имеет ряд преимуществ:
- И отрицательная, и положительная полуволны синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в оптимальной степени.
- Из-за более высокой частоты пульсаций напряжение, получаемое диодным выпрямителем, намного легче сгладить с помощью фильтров.
- Использование электричества под нагрузкой снижает потери мощности из-за инверсии намагниченности сердечника, которая возникает из-за процессов взаимной индукции в обмотках силового трансформатора.
- Гармоничное перераспределение кривой электрического тока и выходного напряжения: из-за передачи каждого полупериода двумя диодами в мосту одновременно, выходной параметр намного более однороден.
К недостаткам диодного моста можно отнести более высокое падение напряжения по сравнению с полуволновой схемой или выпрямителем со средней точкой. Это связано с тем, что ток сразу проходит через два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может иметь существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампер могут определять значение сигналов, режимы работы блоков и т.д. В качестве решения можно использовать диодные мосты с диодами Шоттки, в которых прямое напряжение падение относительно меньше, можно использовать.
Еще один недостаток — сложность определения сгоревшего звена, так как при выходе из строя хотя бы одного диода вся схема продолжит работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи, можно только с помощью измерений; далеко не всегда устройство или схема отреагируют в случае отказа с видимой неисправностью.
Принцип действия
Принцип работы трехфазного выпрямителя
Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах специального полупроводникового элемента — германиевого или кремниевого диода. Когда через него протекает переменный ток, положительная полуволна беспрепятственно «проходит» через функционирующий электронный переход, перемещаясь вперед. При воздействии отрицательной полуволны электроны сталкиваются с препятствием в виде потенциального барьера, так что ток не может течь через переход.
В простейших схемах переключения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это значительно снижает трансформируемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2 двухполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.
«Схема полного цикла» может содержать 4 выпрямительных элемента, но это мостовая схема.
Однополупериодный многофазный выпрямитель
На первых порах удобнее рассматривать трехфазные полуволновые выпрямители, простые в изготовлении, используемые в простых и недорогих схемах преобразования. При их строительстве на каждой из ступеней устанавливается мощный диод, обслуживающий только эту ветвь.
Всего в образце полуволнового выпрямителя используются три полупроводниковых диода с присоединенными к ним нагрузками. Изучив полученные диаграммы напряжений и токов на выходе электрической цепи, можно сделать следующие выводы:
- кПД (КПД) такого устройства очень низкий;
- полезная мощность теряется при обработке отрицательных полуволн всех трех фаз;
- при использовании таких устройств очень сложно получить требуемые нагрузочные характеристики.
Все эти недостатки полуволновых схем заставили разработчиков усложнить их, применив принцип параллельного двойного преобразования.
Принцип действия двухполупериодной схемы
Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): симметричный и мостовой. Схема первого представлена на рисунке ниже.
Простейший неуправляемый симметричный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора средней мощности
Используемые элементы:
- Тр — трансформатор, имеющий две одинаковые вторичные обмотки (или одну с розеткой в центре);
- ДВ1 и ДВ2 — вентили (диоды);
- Cf — емкостной фильтр;
- Rn — сопротивление нагрузки.
Для наглядности сразу представим осциллограммы в контрольных точках.
Схема уравновешенного прибора
- U1 — осциллограмма на входе;
- U2 — график перед емкостным фильтром;
- А — схема на выходе устройства.
Эта схема состоит из двух объединенных полуволновых преобразователей, т.е два отдельных источника имеют общую нагрузку. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Это показывает, что в процессе используются оба полупериода, из-за которых эти преобразователи получили свое название.
Осциллограмма наглядно демонстрирует достоинства такого устройства, а именно следующие факты:
- частота пульсаций на выходе устройства увеличена вдвое;
- уменьшение «промежутка» между импульсами позволяет использовать меньшую фильтрующую способность;
- двухтактный преобразователь имеет более высокий КПД, чем полуволновой.
Теперь давайте посмотрим на тип моста, он показан на рисунке ниже.
Схема: пример использования диодного моста
Осциллограмма мостового устройства практически не отличается от симметричной, поэтому приводить ее нет смысла. Главное преимущество такой схемы в том, что нет необходимости использовать более сложный трансформатор.
Видео: двухполупериодный выпрямительный мост
Преобразователи, в которых используется полупроводниковый диодный мост, широко используются как в электротехнике (например, в сварочных аппаратах, где номинальный ток может достигать 500 ампер), так и в электронике, как источник для слаботочных цепей.
Отметим, что помимо полупроводниковых диодов могут применяться еще и вакуумные диоды — кенотрон (пример схемы такого устройства показан ниже).
Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П
По сути, представленная схема является классической реализацией симметричного двухполупериодного преобразователя. Сегодня вакуумные диоды практически не используются, им на смену пришли полупроводниковые аналоги.
Двухполупериодный выпрямитель
Некоторые образцы электрооборудования работают только с большим количеством выпрямленного тока, протекающего в нагрузке. Однополупериодные выпрямители этого не могут обеспечить, что объясняется значительными потерями в них. Для увеличения нагрузочной способности в цепях трехфазного тока все чаще используются двухполупериодные выпрямители, содержащие по два диода на каждую фазу.
Классическое включение в данном случае выполнено по схеме Ларионова, в честь которой назван сам выпрямитель.
Анализ схем работы такого выпрямителя наглядно показывает его неоспоримые преимущества. При работе этих схем используются как положительные, так и отрицательные полуволны, что увеличивает КПД всего преобразователя. Объясняется это тем, что трехфазная структура схемы вместе с двухполупериодным выпрямлением обеспечивает шестикратное увеличение частоты пульсаций. За счет этого амплитуда сигнала на выходе после сглаживающих конденсаторов значительно увеличивается (по сравнению с полуволновым выпрямителем), а мощность, подводимая к нагрузке, увеличивается.
Трехфазные выпрямители: нулевой, мостовой
Трехфазный выпрямитель — это устройство, используемое для получения постоянного тока от трехфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского.
Самый простой и надежный — трехфазный нулевой выпрямитель. В связи с тем, что на вторичной стороне трансформатора выпрямляются полуволны напряжения одной полярности, достаточно проверить полуволны напряжения только одной полярности на первичной стороне трансформатора. Схема трехфазного выпрямителя нуля с однотактным управлением вентилем на первичной стороне трансформатора представлена на рис.1
… Первичная обмотка трехфазного трехстержневого трансформатора соединена треугольником с управляемым клапаном, подключенным к каждой фазе. Регулируемые клапаны открываются поочередно на 120 °, в зависимости от частоты выпрямленного напряжения при t = 3.
Изображение 2
При включении управляемого клапана на соответствующую фазу первичной обмотки подается полуволна сетевого напряжения, которая трансформируется на вторичной стороне и через неуправляемые клапаны этой фазы подается в цепь сварки. Длительность проведения вентилей каждой фазы на вторичной стороне трансформатора составляет 2π / 3 + γ, где — угол переключения при передаче выпрямленного тока от одной фазы к другой.
Диаграммы токов и напряжений в элементах схемы выпрямителя при условии падения напряжения на вентилях, намагничивающей составляющей фазных токов трансформатора и пульсаций выпрямленного тока показаны на рис. В этом случае угол регулировки фазы α = 0. Схемы шестифазных выпрямителей, обсуждаемые ниже, удовлетворяют тем же условиям. Ось 1 показывает линейные напряжения сети iAB, iVC, Uca и выпрямленное напряжение ud по оси 2 — вторичные фазные токи i2a, i2b, i2c (неконтролируемые токи трубки) и первичные фазные токи i1a, i1b, i1c (токи клапана, которые не отмечены на рис. 2, так как по форме похожи на токи вторичной фазы); по осям 3, 4, 5 — линейные токи сети iA, iB, iC. Несмотря на униполярный характер токов первичной фазы, магнитная цепь трехфазного трансформатора намагничивается в период действия сетевого напряжения. Это связано с тем, что изменения магнитного потока в каждом сердечнике магнитопровода во время работы «своей» фазы и чередования двух других фаз имеют противоположный знак.
Схема однофазного мостового выпрямителя (рис. А) содержит четыре диода V1-V4, соединенных по мостовой схеме и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напрямую. Трансформатор позволяет комбинировать сетевое напряжение и выпрямленное напряжение нагрузки. Источник переменного напряжения подключен к одной диагонали моста (точки 1 и 3), а нагрузка R подключена к другой (точки 2 и 4). Общая точка двух катодных проводов действует как положительный полюс выпрямителя, а четвертая точка анодных проводов действует как отрицательный полюс. В однофазной мостовой схеме диоды работают поочередно в парах V1, V3 и V2, V4 (рисунок 5.6, б). В положительном полупериоде напряжения U2f ток проходит через диод V1 на нагрузку Rn на диод V3.
Рис. 5.6 Однофазная мостовая схема выпрямления (а). Графики напряжения и тока в трансформаторе (б), напряжения и тока в нагрузке (в)
Поскольку в этот момент диоды V2, V4 закрыты, на них подается обратное напряжение, максимальное значение которого составляет l / 2 и 2ph. В отрицательном полупериоде ток проходит через диод V2, нагрузку Rn на диод V4. Это применяет обратное напряжение между диодами V1 и V3. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период течет в одном направлении, а его среднее значение зависит от выпрямленного напряжения и сопротивления нагрузки.
Выпрямленное напряжение Ud (рис. C) имеет постоянную составляющую Ud cf и переменную составляющую Ud „(заштрихованная область), которая пульсирует с частотой, вдвое превышающей частоту сети. Чем меньше составляющая переменного тока, тем меньше пульсация. В идеальном преобразовании переменного тока в постоянный компонент переменного тока равен нулю. Важным показателем работы выпрямителя является отношение амплитуды переменной составляющей к выпрямленному напряжению, называемое коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения: q = = 2 / (м2 — 1),
где m — количество фаз источника.
Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения в основном используются в электроустановках малой мощности.
Фильтры (C, L, LC, RC), коэффициент пульсации
Фильтр — это четырехпортовая система, которая содержит реактивные компоненты, которые задерживают или передают токи (напряжения) в нагрузку из одного или нескольких указанных диапазонов частот.
Принцип работы фильтра основан на зависимости импеданса от частоты. Наиболее распространенными в выпрямителях малой мощности являются сглаживающие фильтры: L, LC, C и RC (рис. 6). Наиболее важным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания (S), который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации (для фильтра L:, для фильтра LC: ,
где w — частота сигнала на выходе выпрямителя). На выходе из фильтра напряжение хорошо выравнивается.
L фильтр LC фильтр C фильтр RC фильтр
Рис. 6 Контур фильтра.
Для построения фильтров в радиооборудовании используется частотная независимость (в заданном диапазоне частот) сопротивления R и частотная зависимость реактивного сопротивления L, C для RC- и LC-цепей.
Как уже было сказано выше, зависимость импеданса элементов цепи от частоты используется в фильтрах и обычно описывается выражением.
Выравнивающие фильтры RC
Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Самый простой фильтр — это большой конденсатор, подключенный к выходу выпрямителя. Обычно в качестве таковых используются оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад.
Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.
Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключаются более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводится специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение между коэффициентом пульсаций на выходе фильтра (Krout) и коэффициентом пульсаций на его входе (Krvkh):
Кс = Крвых / Крвх
Самым простым является Г-образный реостатно-емкостной фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора Cf1
На рисунке также показан конденсатор С1, подключенный к выходу выпрямителя. Назначение этого конденсатора описано в предыдущем абзаце.
Резистор R1 и конденсатор Cf1 образуют делитель напряжения для пульсаций, возникающих на выходе выпрямителя (конденсатор C1). Во сколько раз сопротивление конденсатора Cf1 ниже, чем сопротивление резистора R1 при токе пульсаций, в столько же раз напряжение пульсаций на конденсаторе Cf1 будет ниже, чем напряжение пульсаций на конденсаторе C1.
уменьшить пульсации напряжения на нагрузке при заданной емкости конденсатора Cf1 можно за счет увеличения сопротивления резистора R1. Но поскольку через R1 протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, часть выпрямленного напряжения теряется на резисторе, и напряжение на нагрузке (через конденсатор Сф1) оказывается меньше напряжения на выходе выпрямительный (через конденсатор С1).
Если коэффициент сглаживания однолинейного RC-фильтра недостаточен, т. Е. Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения слишком велика, используется одноканальный RC-фильтр. В таком фильтре общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев R1CF1 и R2CF2.
Сглаживающие ЖК-фильтры
Для повышения КПД и снижения потерь выпрямленного напряжения на фильтрующих элементах широко используются индуктивно-емкостные (LC) фильтры. На рисунке изображен одинарный L-образный LC-фильтр, состоящий из индуктивности Др1 и конденсатора Сф1.
Этот фильтр отличается от однорычажного RC-фильтра тем, что резистор R1 заменен индуктивностью Dr1. Катушка индуктивности имеет высокое сопротивление переменному току и низкое сопротивление постоянному току. В результате напряжение имеющихся пульсаций на выходе выпрямителя перераспределяется через делитель Др1Сф1 таким образом, что основная его часть приходится на индуктивность, а незначительная — на конденсатор Сф1. При этом из-за низкого сопротивления индуктивности постоянному току напряжение на выходе фильтра будет мало отличаться от напряжения на выходе выпрямителя, то есть КПД LC-фильтра окажется выше чем эффективность RC-фильтра.
Для увеличения коэффициента сглаживания точно такое же второе соединение может быть последовательно включено с одним соединением LC-фильтра.
снизить пульсации напряжения на выходе однорычажного LC-фильтра можно также, если параллельно индуктивности Др1 подключить бумажный конденсатор С2, который вместе с индуктивностью индуктивности Др1 образует параллельный колебательный контур. Сопротивление цепи на резонансной частоте значительно превышает сопротивление индуктора. Следовательно, если емкость конденсатора C2 выбрана таким образом, что резонансная частота цепи C2Dr1 равна частоте пульсаций (50 Гц с полуволновым выпрямлением или 100 Гц с двухполупериодным выпрямлением), большая часть В этой цепи будет высвобождаться пульсация и в нагрузку уйдет незначительная.
Мостовые устройства
«Схема трехфазного мостового выпрямителя» позволяет еще больше повысить эффективность преобразования переменного напряжения в постоянное. Этот способ зажигания удобнее представить в виде комбинации двух полуволновых цепей с нулевой точкой, в которой нечетные диоды образуют катодную группу, а четные — их анодный союз. В трехфазной мостовой схеме две ветви обработки полуволн разной полярности эффективно объединяются в одну систему.
Принцип работы трехфазного мостового выпрямителя проще представить следующим образом:
- когда на его входе действует переменный потенциал, для каждой полуволны два диода из четырех открыты, соединены как в зеркале;
- в первом случае выпрямляется положительная полуволна входного напряжения, а во втором — отрицательная полуволна;
- следовательно, на выходе такой перекрестной цепи плюс всегда действует на один полюс моста, а минус — на другой.
Как в трехфазных выпрямительных мостах, так и в двухполупериодных схемах на диодных переходах теряется часть входного напряжения (на каждом диоде — не более 0,6 Вольт).
Таким образом, общие потери за цикл (положительные и отрицательные) в трехфазном мосту будут 1,2 Вольт. Разработчики выпрямительного оборудования всегда учитывают эти потери и задают несколько завышенные входные параметры для достижения необходимой выходной мощности.
Диаграммы напряжения моста или графики являются лучшим подтверждением того, что такой способ подключения диодов к схеме выпрямителя обеспечивает максимальную передачу энергии. В то же время небольшие потери напряжения на переходах часто можно компенсировать за счет лучшей фильтрации во вторичных цепях.
Мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова)
Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3.2) состоит из трехфазного трансформатора и серии диодов, собранных по трехфазной мостовой схеме (схема профессора А. Н. Ларионова).
В схеме выпрямителя используется шесть диодов: VD1… VD6. К катодной группе подключены три диода (VD1, VD3, VD5). Их общая точка имеет положительную полярность. Из этих трех диодов проводящим будет диод с самым высоким положительным потенциалом на аноде. Три диода (VD2, VD4, VD6) соединены в общей точке анодами и образуют группу анодов.
Их общая точка имеет отрицательную полярность. Из диодов в анодной группе проводящим будет диод с наиболее отрицательным потенциалом на катоде. В каждый момент в рассматриваемой схеме выпрямителя, как и в однофазной мостовой схеме, открыты два диода: один в катодной группе, а другой в анодной группе. Каждый диод работает треть периода (рис. 3.2, г, д), что отражается на графиках токов катода (iVDk) и анода (iVDa.
Рисунок 3.2 — Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова):
а — схема подключения;
bf — диаграммы напряжения и тока
На рис. 3.2, б приведены кривые мгновенных значений напряжения в фазах вторичных обмоток трансформатора ua, ub, uc, а на рис. 3.2, в — кривые выпрямленного напряжения ud и тока id. В интервале t1-t2, равном p / 3, напряжение фазы a (ua) имеет наибольшее положительное значение и, следовательно, потенциал на аноде диода VD1 наибольший, т.е диод VD1 открыт. Напряжение фазы b (ub) имеет максимальное отрицательное значение в том же диапазоне, т.е катод диода VD4 имеет наибольший отрицательный потенциал, который включает этот диод.
Таким образом, в диапазоне t1 — t2 линейное напряжение между точками a и b (uab) будет прикладываться к сопротивлению нагрузки на открытых диодах VD1 и VD4. Под действием этого напряжения по цепи будет протекать ток: + uа, VD1, Rd, VD4, -ub. В момент t2 (M1 — естественная точка переключения диодов) мгновенные значения напряжений uv и uc одинаковы, поэтому напряжение uc будет более отрицательным. Это откроет диод VD6. Диод VD1 останется открытым, пока ua остается положительным.
На интервале t2 — t3, также равном p / 3, диоды VD1 и VD6 будут открыты, на сопротивление нагрузки между точками a будет приложено линейное напряжение и ток будет течь в том же направлении по цепи: + ua, VD1, Rd, VD6, -uñ. В момент t3 (точка N1) диоды VD1 и VD3 переключатся; диод VD3 откроется, так как uv будет равен u и больше, а диод VD1 закроется.
В диапазоне t3 — t4 диоды VD3 и VD6 открыты, по цепи будет течь ток: + ub, VD3, Rd, VD6, -uñ. Кроме того, процессы переключения диодов происходят в точках M2 (VD6 и VD2), N2 (VD3 и VD5), M3 (VD2 и VD4), N3 (VD5 и VD1), обеспечивая протекание тока через нагрузку в одном направлении.
Поскольку нагрузка приводится в действие двумя вторичными фазными обмотками трансформатора, включенными последовательно, график выпрямленного напряжения ud представляет собой сумму огибающих фазных напряжений обмоток трансформатора в рабочем состоянии.
можно сформулировать правило: в схеме в любой момент времени открыты только два порта, то есть те, через которые на нагрузочный резистор подается максимальное линейное напряжение
uab = ua — (- ub), ubc = ub — (- uc) .
Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения, как видно из рис. 3.2, в, в 6 раз меньше периода изменения сетевого тока (T1 = Tc / 6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз превышает частоту сетевого тока (f1 = 6fc). Хотя схема питается от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме.
Мгновенное значение выпрямленного напряжения равно линейному напряжению одновременно работающих фаз:
(3.3)
Среднее значение выпрямленного напряжения составляет:
(3,4)
Взяв для удобства точку O1 на огибающей ud (посередине между t1 = p / 6 и t2 = 3p / 6 на рис. 3.2, c) за точку отсчета, выразим среднее значение выпрямленного напряжения через функция косинуса
(3.5)
Основные соотношения, показатели качества выпрямления и энергетические параметры трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления приведены в таблице 3.1.
Преимущества трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямителя по сравнению с предыдущими схемами перечислены ниже.
1. Отсутствие принудительной поляризации постоянной составляющей выпрямленного тока, что гарантирует высокое значение коэффициента использования трансформатора.
2. Малая амплитуда обратного напряжения.
3. Возможность подключения арматуры напрямую к сети переменного тока (без трансформатора), если напряжение имеет требуемую величину.
Основным недостатком этой выпрямительной схемы является необходимость использования шести вентилей вместо трех по сравнению с предыдущей схемой Миткевича.
Трехфазные мостовые выпрямители чаще всего используются в IVE RES при питании от трехфазных первичных источников.
Особенности трехфазного моста и варианты его построения
В мостовых схемах трехфазного выпрямителя есть возможности для улучшения параметров устройства. Их можно улучшить, добавив дополнительные клапанные элементы. Они оснащены 6, 9 или даже 12 выпрямительными диодами, соединенными по схеме «звезда» или «треугольник».
Чем больше фаз (или пар диодов) используется в схеме выпрямителя, тем ниже уровень пульсаций выходного напряжения.
Например, рассмотрим устройство с 12 выпрямительными диодами. Одна из групп в количестве 6 штук входит в данном случае по схеме «звезда» с общей нулевой точкой, а вторая — в виде треугольника (без заземления). С учетом того, что выпрямители соединены последовательно, потенциалы на выходе системы складываются и частота пульсаций в нагрузке в 12 раз превышает значение в сети (50 Гц). После фильтрации напряжение, подаваемое к потребителю, характеризуется наивысшим качеством.
Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель
Представляю вашему вниманию трехфазный управляемый тиристорный выпрямитель, управляемый микроконтроллером ATmega8.
После публикации регулятора мощности трехфазного переменного тока выяснилось, что трехфазный выпрямитель пользуется спросом у пользователей. Я получил несколько писем об этом. По большей части, для питания посуды требовался выпрямитель без особых требований к функциональности и стабильности, и один человек попросил сделать его источником для питания двигателя постоянного тока 440 В. Исходя из этого, было собрано такое устройство.
Функционал минимален: регулировка выходного напряжения с помощью потенциометра, кнопки Start / Stop, светодиода состояния устройства, вольтметра (больше похожего на индикатор) выходного напряжения на семисегментном индикаторе. При включении питания выполняется проверка последовательности фаз, в то время как три фазы контролируются во время работы. У выпрямителя нет обратной связи. Не требует настроек, при правильной сборке запускается сразу.
Внимание! В цепи присутствует опасное для жизни напряжение! Для продвинутых пользователей!
Для удобства схема устройства разбита на функциональные блоки. Это позволяет вам вносить дальнейшие изменения и улучшения в дизайн. В будущем планирую добавить обратную связь и доработать схему измерения выпрямленного напряжения.
Устройство по своей сути выполнено на любителя и не претендует на звание серьезного промышленного образца. Поэтому, если повторить этот рисунок, то вся ответственность за возникшие сбои ложится только на вас.
Теперь к описанию.
Силовая цепь.
Вариант 1 — авторский, собран и протестирован. Плата и описание работы относятся к этому варианту схемы.
Вариант 2 тестировать не стал бы, привожу на обозрение, сложнее собрать, но заработает.
Авторская версия построена на мощных оптических тиристорных модулях МТОТО 80 — 12. Каждый модуль содержит два антипараллельных оптических тиристора на 80 ампер. Используются три модуля, подключенных по схеме Ларионовского моста. Выбор такой схемы питания был сделан по трем причинам .
Во-первых, пульсации выпрямленного напряжения меньше, чем в схеме с тремя вентилями, соответственно масса и размер выходных фильтров невелики.
Во-вторых, нулевой провод не нагружен, вся нагрузка равномерно распределяется по фазам, в плохих условиях сети это особенно важно, так как чаще всего перегружается нейтральный провод.
И в-третьих, в такой схеме теоретически можно получить выпрямленное напряжение в диапазоне 0 — 540 вольт. На практике границы будут меньше, так как при вертикальном принципе управления тиристором возможны перерегулирования при углах управления, близких к предельным. Чтобы избежать этого эффекта, нижний предел ограничен 10-15 вольт. Вышеуказанный ограничен только самой сетью. При необходимости диапазон можно скорректировать, установив сопротивления на эталонном потенциометре.
Максимальная мощность в таких цепях ограничена только максимально допустимым током силовых переключателей. Я использую восемьдесят клавишных усилителей из-за их большого количества в наличии. Также не рекомендуется использовать ключи с классом напряжения ниже 9 (900 вольт). Оптимальное использование классов 10-12 (1000-1200 вольт), особенно при питании от двигателя постоянного тока. Хотя тиристоры устойчивы к перегрузкам и скачкам напряжения, они иногда выходят из строя в наших сетях. Поэтому лучше выбирать их с запасом, также неплохо поставить токоограничивающие трехфазные индукторы или дроссели на входе и дроссель постоянного тока на выходе. При подключении двигателя постоянного тока, который, в свою очередь, имеет индуктивность, нет необходимости подключать индуктивность к выходу, но я рекомендую подключить мощный резистор параллельно с двигателем для лучшего торможения. Подробнее обо всех нюансах можно прочитать, например, в 1 или найти в сети, информации по этому поводу очень много.
Обязательно устанавливать RC-цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ 0,1мкф 500в. На RC-цепях экономить не рекомендую, без них срок службы тиристоров значительно сократится. Рекомендуется устанавливать их как можно ближе к силовым клеммам. В моей практике отказы RC-цепей часто случались в различных устройствах с тиристорами. Отметим, что наиболее надежным считается использование мощных проволочных резисторов СЭВ и др. и конденсаторов на бумажной основе МБГО, МБГЧ и др. и наоборот, резисторы типа МЛТ и конденсаторы К73-хх живут в этих цепях очень непродолжительное время. Во время работы резисторы и конденсаторы могут сильно нагреваться, учтите это при установке .
Тиристорные модули устанавливаются на радиатор, они при работе нагреваются, чем мощнее нагрузка, тем больше тепловыделение.
Управляющие импульсы от микроконтроллера усиливаются составными транзисторами Т7-Т12. Питание оптопар или импульсных трансформаторов осуществляется нестабилизированным напряжением 15В.
На схеме он не показан, но выключатель для расчетной нагрузки должен быть установлен на стороне сети, также желательно установить отдельный выключатель, с низким рабочим током, на фазах блока синхронизации и источника питания.
Сравнение однофазных и трехфазных устройств
При сравнении трехфазных выпрямительных схем с однофазными аналогами важно отметить следующие моменты:
- первые используются только в сетях электроснабжения на 380 Вольт, а вторые могут устанавливаться как в однофазных, так и в трехфазных цепях (по одной на каждую фазу);
- выпрямители на 380 вольт позволяют преобразовывать большие мощности и развивать значительные токи в нагрузке;
- с другой стороны, сделать трехфазный выпрямитель своими руками немного сложнее, так как он состоит из большего количества компонентов.
Расчет трехфазного выпрямителя также будет сложнее, так как в этом случае учитываются векторные составляющие реальных токов и напряжений. Это связано с тем, что в цепях на 380 Вольт фазовые параметры сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов.
Разобраться в сути работы трехфазного выпрямителя несложно. Для этого потребуется ознакомиться с основами клапанных устройств и проанализировать электрическую схему на предмет их подключения. Знание принципа работы выпрямителя поможет пользователю более эффективно использовать его в повседневной работе.
Схема ларионова на диодах для трех фаз
Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3.2) состоит из трехфазного трансформатора и серии диодов, собранных по трехфазной мостовой схеме (схема профессора А. Н. Ларионова).
В схеме выпрямителя используется шесть диодов: VD1. VD6. К катодной группе подключены три диода (VD1, VD3, VD5). Их общая точка имеет положительную полярность. Из этих трех диодов проводящим будет диод с самым высоким положительным потенциалом на аноде. Три диода (VD2, VD4, VD6) соединены в общей точке анодами и образуют группу анодов.
Их общая точка имеет отрицательную полярность. Из диодов в анодной группе проводящим будет диод с наиболее отрицательным потенциалом на катоде. В каждый момент в рассматриваемой схеме выпрямителя, как и в однофазной мостовой схеме, открыты два диода: один в катодной группе, а другой в анодной группе. Каждый диод работает треть периода (рис. 3.2, г, д), что отражается на графиках токов катода (iVDk) и анода (iVDa.
Рисунок 3.2 — Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова):
а — схема подключения;
bf — диаграммы напряжения и тока
На рис. 3.2, б приведены кривые мгновенных значений напряжения в фазах вторичных обмоток трансформатора ua, ub, uc, а на рис. 3.2, в — кривые выпрямленного напряжения ud и тока id. На интервале t1 — t2, равном p / 3, напряжение фазы a (ua) имеет наибольшее положительное значение и, следовательно, потенциал на аноде диода VD1 наибольший, т.е диод VD1 открыт. Напряжение фазы b (ub) имеет максимальное отрицательное значение в том же диапазоне, т.е катод диода VD4 имеет наибольший отрицательный потенциал, который включает этот диод.
Таким образом, в диапазоне t1 — t2 линейное напряжение между точками a и b (uab) будет прикладываться к сопротивлению нагрузки на открытых диодах VD1 и VD4. Под действием этого напряжения по цепи будет протекать ток: + uа, VD1, Rd, VD4, –ub. В момент t2 (M1 — естественная точка переключения диодов) мгновенные значения напряжений uv и uc одинаковы, поэтому напряжение uc будет более отрицательным. Это откроет диод VD6. Диод VD1 останется открытым, пока ua остается положительным.
На интервале t2 — t3, также равном p / 3, диоды VD1 и VD6 будут открыты, на сопротивление нагрузки между точками a будет приложено линейное напряжение и ток будет течь в том же направлении по цепи: + ua, VD1, Rd, VD6, –uñ. В момент t3 (точка N1) диоды VD1 и VD3 переключатся; диод VD3 откроется, так как uv будет равен u и больше, а диод VD1 закроется.
Поскольку нагрузка приводится в действие двумя вторичными фазными обмотками трансформатора, включенными последовательно, график выпрямленного напряжения ud представляет собой сумму огибающих фазных напряжений обмоток трансформатора в рабочем состоянии.
можно сформулировать правило: в схеме в любой момент времени открыты только два порта, то есть те, через которые на нагрузочный резистор подается максимальное линейное напряжение
Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения, как видно из рис. 3.2, в, в 6 раз меньше периода изменения сетевого тока (T1 = Tc / 6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз превышает частоту сетевого тока (f1 = 6fc). Хотя схема питается от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме.
- https://BurForum.ru/teoriya-i-opyt/trehfaznyj-vypryamitel-shema.html
- https://electrik-ufa.ru/raznoe/most-larionova-printsip-raboty
- [https://ApSvet.ru/sovety/shema-larionova-na-tiristorah.html]