Трехфазная мостовая схема выпрямителя

Трехфазная мостовая схема выпрямителя (схема Ларионова) (рисунок 11.7,а) содержит выпрямительный мост. Нижнюю группу диодов, которые соединены катодами, называют катодной группой, верхнюю группу диодов называют анодной группой. Нагрузка включается между анодами и катодами диодов.

Рисунок 11.7 - Схема трехфазного мостового выпрямителя (а);

временная диаграмма работы выпрямителя (b)

Эту схему можно рассматривать как последовательное включение двух схем трехфазных выпрямителей с нулевой точкой. Одна из этих схем представлена анодной группой диодов (VD4,VD6,VD2), а вторая - катодной группой диодов (VD1,VD3, VD5). Нумерация диодов в данной схеме носит не случайный характер, а соответствует порядку включения их в работу. Ток нагрузки создается под действием линейного напряжения, он протекает через один из диодов катодной группы и один из диодов анодной группы (рисунок 11.7,b).

В катодной группе в открытом состоянии будет находиться тот из диодов, фазное напряжение которого имеет наибольшую величину; в анодной группе диодов в открытом состоянии будет находиться тот из диодов, фазное напряжение которого имеет наименьшую величину (с учетом знака). Следовательно, будет проводить та пара диодов, к которой в этот момент приложено наибольшее линейное напряжение. На участке 1-2 временной диаграммы наибольшее положительное напряжение имеет , подаваемое к аноду диода, а наименьшее значение напряжения имеет , следовательно, ток в этом промежутке протекает через диоды VD1 и VD6. Аналогично можно проследить моменты включения и выключения диодов. Интервал проводимости каждого из диодов , а совместно пара диодов открыты на интервале . За период происходит шесть переключений, поэтому эту схему называют «шестипульсной».

Среднее значение выпрямленного напряжения

, (11.15)

где - действующее значение фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

При заданном напряжении можно найти необходимое напряжение

. (11.16)

Коэффициент пульсации по первой гармонике составляет

, (11.17)

в этом выражении 6, т.к. в период колебаний напряжения сети укладывается шесть пульсов. Первая гармоника пульсации имеет частоту шестикратную частоте сети.

Обратное напряжение найдено как разность потенциалов анода и катода.

При выборе диода следует учитывать, что максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения

. (11.18)

Средний ток диодов связан со средним значением тока нагрузки

, . (11.19)

Трехфазная мостовая схема выпрямителя имеет лучшие показатели, чем трехфазная схема с нулевой точкой.

1. Действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора в два раза меньше, чем в схеме с нулевой точкой, при одинаковых .

2. Коэффициент пульсации по первой гармонике значительно меньше, чем в схеме с нулевой точкой.

3. Частота первой гармонической составляющей в два раза больше, чем в схеме с нулевой точкой. Это упрощает задачу сглаживания выпрямленного напряжения.

4. При реализации схемы требуются диоды с меньшим обратным допустимым напряжением.

5. Среднее значение тока через вторичную обмотку трансформатора равно нулю, т.к. токи, протекающие через диоды анодной и катодной групп, противоположно направлены. Это исключает крайне нежелательный эффект подмагничивания сердечника трансформатора.

Сглаживающие фильтры

Значительные пульсации выпрямленного напряжения не позволяют его использовать для непосредственного питания электронной аппаратуры. Для уменьшения коэффициента пульсации используют сглаживающие фильтры. В зависимости от элементов, которые входят в их состав, фильтры подразделяют на простые фильтры С, L, Г-образные RC, LC и комбинированные CRC, CLC. Наличие сглаживающего фильтра оказывает существенное влияние на работу выпрямителя, нагрузкой которого он является. Нагрузка может носить резистивно-емкостный или резистивно-индуктивный характер.

Емкостный фильтр

Для снижения пульсаций выпрямленного напряжения параллельно нагрузке подключают конденсатор. На рисунке 11.8 приведена схема однофазного выпрямителя со средней точкой, на рисунке 11.9 - соответствующие ей кривые токов и напряжений.

Рисунок 11.1 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой

и емкостным фильтром

Действие емкостного фильтра основано на том, что конденсатор в течение проводящего интервала запасает энергию, а затем отдает ее в нагрузку, поддерживая выходное напряжение на уровне, близким к постоянному.

В точке 1 (временной диаграммы) диод VD1 открывается, и конденсатор заряжается через малое сопротивление открытого диода практически по синусоиде. В точке 2 диод закрывается, т.к. напряжение на катоде его больше напряжения на аноде и анодный ток прекращается. На интервале (2-4) конденсатор разряжается через нагрузку по закону

, (11.20)

где .

Рисунок 11.9 - Временные диаграммы работы выпрямителя с емкостным фильтром

В точке 3 напряжение на аноде диода > , диод VD2 открывается и возникает ток , конденсатор вновь начинает заряжаться. Напряжение на нагрузке принимает пилообразную форму. Ток через диоды протекает в течение части положительного полупериода в интервале 2Ө , где Ө - угол отсечки. При увеличении постоянной времени фильтра разряд конденсатора будет проходить с меньшей скоростью, а напряжение будет приближаться к постоянному напряжению.

Для расчета емкости фильтра при заданном коэффициенте пульсации заменим истинную форму напряжения на пилообразную, как показано на рисунке 11.10.

Рисунок 11.10 - К определению коэффициента пульсации выпрямленного напряжения

После явных преобразований

, если , то ;

при , , ,

найдем коэффициент пульсации

, (11.21)

где - период и частота первой гармонической составляющей выпрямленного напряжения.

Расчет конденсатора из данной формулы дает завышенное значение примерно на 5%, это вполне допустимо, т.к. технологический разброс при изготовлении конденсаторов достигает 20%.

Индуктивный фильтр

Для уменьшения пульсаций тока и напряжения последовательно с нагрузкой подключают катушку индуктивности (дроссель). В этом случае нагрузка выпрямителя носит резистивно-индуктивный характер. Аналогичный характер нагрузки получим, используя выпрямитель для питания машины постоянного тока. Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой и временная диаграмма его работы показаны на рисунках 11.11 и 11.12.

Рисунок 11.11 - Схема однофазного выпрямителя со средней точкой с резистивно-индуктивной нагрузкой

Рисунок 11.12 - Временная диаграмма работы выпрямителя

На интервалах времени (0-1) и (1-2) поочередно открываются соответствующие диоды VD1 и VD2. Напряжение формируется как сумма положительных полуволн напряжений и . Из-за влияния индуктивности дросселя ток в цепи получается сглаженным. Под действием индуктивности ток не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения . Дроссель в момент нарастания тока запасает энергию, а за тем отдает ее в нагрузку, поддерживая ток на неизменном уровне. Если индуктивность настолько велика, что ток остается постоянным, а анодные токи , диодов имеют форму прямоугольных импульсов. Ток , потребляемый из сети, имеет форму разнополярных прямоугольных импульсов.

Напряжение на нагрузке повторяет форму тока, а среднее значение напряжения на нагрузке , т.к. постоянная составляющая напряжения практически без потерь передается через дроссель, который имеет малое активное сопротивление.

Среднее значение тока в нагрузке , а среднее значение тока через диод

Индуктивность как самостоятельный фильтр в источниках питания используется редко, чаще в составе сложных фильтров.