Поделиться Поделиться

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 VD1VD3 соединены с выводами вторичной обмотки трехфазного трансформатора, а катоды их объ­единены в один узел. Нагрузка RН 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 иb <С 0, потенциал анода VD2 отрицательный и вентиль закрыт. Не работает и вентиль, VD1, потому что uа = 0. Открытым оказывается VD3, у которого потенциал анода положителен. Напряжение на нагрузке равно фазному напряжению ис. Сопротивление, открытого вентиля равно нулю и положительный потен­циал работающей фазы оказывается на катодах всех вентилей.

При t = t1 напряжение иа становится равным ис, а затем больше ис. В это время происходит переключение работающих вентилей. VD1 открывается и потенциал фазы а по­падает на катоды остальных вентилей. VD3 закрывается, так как иа> ис. Вентиль VD1 будет работать до момента t2, пока напряжение иа не станет меньше иb , 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 = 0,855Uн; (15.9)

Spaсч = 1,34РН; (15.1O)

Iпр = IН/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

Uо6р т= U = 2,09Uн. (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 VD1VD3 объединены катоды. Они работают так же, как вентили предыдущей схемы. Всегда вклю­чен тот вентиль, у которого более высокий потенциал на аноде. У вентилей VD4VD6 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 UCb, 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 = 0,43Uн; (15.13)

Spaсч = 1,045РН; (15.14)

Iпр = IН/3. (15.15);

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

Uо6р т= U2Л = U2ф =1,045Uн. (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 Um, 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 . После этого напряжение и2 становится меньше, чем напряжение на конденсаторе Сф. 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 = RНСФ. При t = T потенциал на аноде VD начинает нарастать. В момент времени, соответствующий точке b, диод открывается и конденсатор подзаряжается опять до U2m.. Затем процесс повторяется. Напряжение на нагрузке меняется по кривой abc.

При τ >10T коэффициент сглаживания такого фильтра

S = 2nf1mRНCФ 10-6,

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

Емкостный фильтр целесообразно применять в мало­мощных схемах при большом RН.

В мощных выпрямителях при малом значении RH 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 = 2πfLф. Поэтому дроссель не оказывает сопротивление постоянной состав­ляющей тока, но для переменной составляющей падение напряжения на нем пропорционально х. При x Rn переменная составляющая напряжения практически полностью теряется на дросселе, на нагрузке будет только постоянная составляющая. Для индуктивного фильтра

S=

где Lф — индуктивность дросселя, Гн.

Для получения больших коэффициентов сглаживания и уменьшения емкости Сф и индуктивности Lф 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 гу, 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 iy он не открывался, т. е. Uвкл > U2m. Тиристор открывается только при положительном полупериоде анодного напря­жения в момент прихода на управляющий электрод им­пульса iy. 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 iy. Среднее значение напряжения на нагрузке в этом случае такое же, как и у неуправляемого выпрямителя (см. рис. 15.3):

UН0 = 0,45 U2.

Пусть импульс iy попадает на управляющий электрод тиристора VS с некоторым запозданием (ωt11). 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 UН0 . 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:

UН = UН0 ,



и Рис. 15.18

Следовательно, изменяя угол управления от 0 до π, можно регулировать среднее значение выпрямительного напря­жения от UНо 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 Uy. 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

UН0 = 0,9 U2.

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

         
         
         
         
← Предыдущая страница | Следующая страница →