Багатофазні випрямлячі

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 згладжуючих 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.

Однопівперіодна трифазна схема випрямлення (схема Мітковича)

Однопівперіодна трифазна схема випрямлення (рис. 1)

Часові діаграми струмів і напруг однопівперіодної схеми (рис. 2)

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 діоду I_d=I₀ ⁄ 3. Максимальна величина зворотної напруги на вентилі дорівнює амплітуді лінійної напруги:

                                               UVDmax=Uлmax=√3E2фmax=2.1U0

Трифазна однопівперіодна схема випрямлення характеризується

• низьким рівенем 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

Трифазна мостова схема випрямлення (схема Ларіонова)

Трифазна мостова схема випрямлення (рис. 3)

Часові діаграми струмів і напруг мостової схеми (рис. 4)

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).

Інтервал комутації (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 напівсумі 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.

Порівняння з’єднання обмоток трансформатора за схемою зірка-зірка і зірка-трикутник

Трифазна мостова схема випрямлення із з’єднанням обмоток трансформатора по схемі зірка-зірка і зірка-трикутник

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.

Тип з’єднання	Зірка-зірка	Зірка-трикутник
Випрямлена напруга на виході схеми при холостому ході	Ud=1.35U2л=2.34U2ф	Ud=1.35U2
Середній струм вентиля	Id=I0/3	Id=I0/3
Максимальна зворотня напруга на закритому вентилі	UVDmax≅1.05Ud	UVDmax≅1.05Ud
Струм в первинній обмотці трансформатора	I1=0.82I0	I1=0.47I0
Струм у вторинній обмотці трансформатора	I2=0.82I0/kт	I2=0.47I0/kт
Потужність трансформатора	Sт=1.05U0I0=1.05P0	Sт=1.05U0I0=1.05P0

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

Трифазна мостова схема випрямлення характеризується

• 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

Основні параметри і розрахункові співвідношення

• 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

Література

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.

Див. також

• Випрямлення змінного струму