Влияние магнитной асимметрии на работу выпрямителя

На входе выпрямителя, как правило, установлен трёхфазный трансформатор с объединенной магнитной системой, у которого обмотки расположены на трех стержнях.

В таком трансформаторе, вследствие различия магнитных сопротивлений для разных фаз намагничивающие токи фазных обмоток не равны между собой: токи крайних фаз (I_ОА и I_ОС) больше тока средней фазы (I_ОВ). Это приводит к нарушению фазовой симметрии (углы сдвига отличаются от 120 градусов). Для уменьшения магнитной асимметрии трехстержневого манитопровода, т.е. уменьшения магнитного сопротивления потокам крайних фаз, сечение верхнего и нижнего ярма делают на 10…15% больше, чем стержня. Однако, асимметрия всё равно остаётся и влечёт асимметрию фазных напряжений.

Напряжение в фазе В больше напряжения других фаз из - за снижения потерь в магнитопроводе, а векторы фазных напряжений А и С имеют отклонения относительно симметричной магнитной системы на угол α.

Асимметрия фазных напряжений приводит к искажению формы выпрямленного напряжения, изменению уровня среднего напряжения на выходе выпрямителя и появлению низкочастотных составляющих пульсаций, что снижает качественные показателя выходного напряжения.

Влияние различных видов нагрузок на работу неуправляемых выпрямителей

Активно-индуктивная нагрузка

Рассмотрим на примере однополупериодной схемы выпрямления:

На рисунке изображены графические зависимости для токов, напряжений и мгновенной мощности с целью пояснения процессов, протекающих в схеме выпрямления.

На интервале [t₁;t₂] положительный потенциал фазы U₁ проводит диод VD1, при этом в дросселе L_н накапливается реактивная энергия .

На интервале [t₂;t₃] VD1 остается открытым из-за положительного тока дросселя и энергия дросселя отдается в источник U₁ (такой режим называется инверторным). Происходит затягивание тока вентиля. Задержка на выключение VD1 уменьшает уровень выпрямляемого напряжения, увеличивая его пульсации.

Для исключения влияния индуктивности нагрузки на форму выпрямленного напряжения параллельно к нагрузке включается обратный диод VD₂, который обеспечивает сброс реактивной энергии дросселя в нагрузку и тем самым исключает отрицательный выброс выпрямленного напряжения.

В двухполупериодной однофазной схеме роль обратного диода играет один из диодов выпрямителя, который включается первым.

При положительной полуволне напряжения U₁ ток протекает по контуру:

“+” U₁®VD1®L_н®R_н®VD4®”-“ U₁.

Предположим, что при прохождении напряжения U₁ через ноль в момент смены полярности, первым включился диод VD2. Тогда сброс реактивной энергии будет осуществляться через VD4 и включенный VD2. В выпрямленном напряжении не будет присутствовать отрицательного выброс напряжения.

Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U₁.

На интервале t_зар U₁>U_С и при этом происходит заряд емкости C сглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале t_раз, когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из- за уменьшения постоянной цепи разряда t_раз =R_НС. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева – метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль. Вводят коэффициент А=f(q), где q - угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Расчет параметров U_обр, I_аср, I_ад, U₂, I₂ выполняют через вспомогательные коэффициенты: В, С, D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале q. При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности (СÞ¥ ), а пороговое напряжение диода равным нулю. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока: (1)

, (2).

Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для U_d.

На интервале 2q ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) на cosq, получим: .

Схема удвоения напряжения

Классическая (симметричная) схема удвоения состоит из двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою полуволну напряжения.

Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С1 и С2. Если пульсации малы, то постоянная составляющая на каждом конденсаторе U₀₁ ≈ U_2m , а напряжение на нагрузке U₀ ≈ 2U_2m . Кроме того, при сложении компенсируется первая и все нечетные гармоники пульсаций. Поэтому схема ведет себя как двухтактная, хотя и состоит из двух однотактных схем. Недостатком симметричной схемы удвоения, с точки зрения безопасности, является отсутствие общей точки нагрузки и трансформатора.

Используется также и несимметричная схема удвоения, её отличием от предыдущей является то, что нагрузка имеет общую точку с трансформатором. Поэтому их можно соединить с корпусом, при этом основная частота пульсаций равна частоте сети.

В этой несимметричной схеме конденсатор С1 выполняет функцию промежуточного накопителя, не участвует в сглаживании пульсаций, поэтому её массогабаритные показатели хуже, чем у симметричного удвоителя. Однако есть и достоинства. Схему можно изобразить так:

Получилась регулярная структура, которую можно наращивать и получить умножитель напряжения.

Нагрузку можно подключить к любой группе конденсаторов и получить чётное или нечётное умножение. На схеме показано чётное умножение - напряжение на нагрузке U₀ ≈ 6U_m2 . Обычно такие умножители собирают в виде единого блока и заливают компаундом. Число конденсаторов в схеме равно коэффициенту умножения.

Расчетные соотношения для рассмотренных схем можно найти в справочнике. Недостатком схем умножения является их высокое внутреннее сопротивление и низкий коэффициент полезного действия вследствие большого числа перезарядов.

Более высоким КПД обладают бестрансформаторные высоковольтные выпрямители с одновременным зарядом n штук накопительных конденсаторов С₁.

Управляемые зарядный и разрядные ключи К_з и К_р работают синхронно и в противофазе. конденсаторы С₁ параллельно заряжаются от сети и последовательно разряжаются на нагрузку через разрядные ключи К_р. При этом, напряжение на нагрузке в n раз больше амплитуды напряжения сети.

Контрольные вопросы

1. Принципы построения выпрямителей. Критерии качества выпрямленного напряжения.

2. Поясните принцип действия однофазного мостового выпрямителя (двухполупериодного).

3. Поясните принцип действия однофазного выпрямителя со средней точкой трансформатора.

4. Поясните принцип действия трехфазного мостового выпрямителя.

5. Поясните принцип действия трехфазного выпрямителя с нулевым выводом.

6. Поясните принцип действия многопульсного выпрямителя.

7. Влияние различных видов нагрузок на работу выпрямителей: активно – индуктивная и емкостная нагрузки.

8. Поясните внешнюю характеристику выпрямителя.

9. В каких схемах выпрямления через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая выпрямленного тока и как это влияет на работу трансформатора?

10. Проведите сравнительный анализ двух схем: трехфазной схемы с нулевым выводом и трехфазной мостовой схемы.

11. Проведите сравнение внешних характеристик для трехфазной мостовой и трехфазной схемы с нулевым выводом.

12. Покажите, что с увеличением пульсности выпрямителя величина выходного напряжения возрастает.Чему равен предел lim U₀ ?

^p®¥