Классификация схем выпрямления переменного тока и их параметры

В устройствах автоматики и телемеханики применяют следую щие схемы выпрямления переменного тока: однофазную однополу-периодную; однофазную двухполупериодную (схему Миткевича);

однофазную мостовую; трехфазную однополупериодную; трехфазную мостовую (схему Ларионова).

Схемы выпрямления однофазного тока используют при небольших мощностях выпрямительных устройств (примерно до 1 кВт). Они дают неравномерную нагрузку на сеть трехфазного переменного тока и требуют дорогостоящих фильтров.

Схемы выпрямления трехфазного тока применяют при мощностях более 1 кВт. В этом случае выпрямительные устройства равномерно нагружают трехфазную сеть и не требуется громоздких и дорогостоящих фильтров. Для того чтобы рассчитать выпрямительное устройство, необходимо знать параметры всех его элементов. Заданными всегда являются параметры нагрузки: среднее значение выпрямленного напряжения (постоянная составляющая) 110 среднее значение выпрямленного тока 1„; допустимый коэффициент пульсации Ка

Пульсирующее напряжение можно представить как сумму некоторого постоянного напряжения и ряда пеоеменных напряжений (гармоник). Последние представляют собой синусоидальные величины различной амплитуды и частоты, имеющие в общем случае различные начальные фазовые углы. Из переменных составляющих выпрямленного напряжения наибольшую амплитуду всегда имеет составляющая наименьшей (основной) частоты.

Отношение амплитуды основной гармоники ?/тах к постоянной составляющей выпрямленного напряжения ?/0 называют коэффициентом пульсации, т. е. Кп = ^Апах/^о- Чем меньше коэффициент пульсации, тем больше форма выпрямленного напряжения приближается к прямой линии. Для каждого потребителя указывается допустимое значение коэффициента пульсации.

По известным параметрам нагрузки, а также по напряжению иг и частоте сети 1 для каждой схемы можно определить параметры вентилей и трансформатора. Параметрами вентиля являются максимальные значения прямого тока 1втах. обратного напряжения {/обв и рабочей температуры. По этим параметрам подбирают подходящий тип вентиля.

Площадь поперечного сечения проводов, число витков обмоток и размеры сердечника трансформатора рассчитывают по его параметрам. К этим параметрам относятся действующие значения напряжения иг вторичной обмотки и токов и 12 соответственно первичной и вторичной обмоток, а также расчетная (типовая) мощность трансформатора 1> т=(^/1/1 + ?/2/2)/2. Расчетная мощность Рт всегда больше мощности выпрямленного тока Р0 = и010. Отношение Ро/Рт — Кг называют коэффициентом использования трансформатора. Чем больше Кт, тем лучше используются обмотки трансформатора и тем меньше его размеры и масса.

Основные соотношения между электрическими величинами в схеме выпрямления с идеальными вентилями при активной нагрузке приведены в табл. 14.

Схема выпрямления переменного тока

Электрические величины

однофазная

трехфазная

ОДНОПОЛ у-периодная

двухполупериодная

мостовая

однополу периодная

мосговам

Максимальное значение: тока вентиля 1в тях

3,141 1о

1,57 1д

1,57 10

1,21/.

1,045 10

обратного напряжения

3,14 и0

3,14 и0

1,57 1>0

2,1 V „

1,045 О’о

и о бр

Среднее значение тока вен*

0,5 10

0,5 10

0,33 10

0,33 1о

ТИЛЯ 1в

Действующее значеине: напряжения вторичной об-

2,22 и0

2×1,11 і/0

1,11 и0

0,855 ив

0,43 О’0

мотки трансформатора и ? тока вторичной обмотки

І2

Расчетная мощность транс-

1,57 10

0,785 1„

1,11 1о

0,58 10

0,82 10

3,09 Р„

1,48 Р0

1,23 Р0

1,35 Ра

1,045 Р0

форматора Рт

Коэффициент использования

0,324

0,675

0,814

0,741

0,955

трансформатора Кт

Вынужденное намагничива-

Есть

Нет

Нет

Есть

Нет

ние сердечника трансформатора

Частота основной гармоники

50

100

100

150

300

/ог при частоте сети 50 Гц Коэффициент пульсации Кп

1,57

0,67

0,67

0,25

0,057

* Для трехфазных схем выпрямления ?/2 — фазное напряжение вторичной обмоткн.

Однофазная однополупериодная схема при работе на активную нагрузку. Первичную обмотку трансформатора Т (рис. 226, а) включают в сеть переменного тока, а к вторичной обмотке через вентиль V подключают нагрузку с активным сопротивлением г. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение иг, то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает переменное напряжение ыа (рис. 226, б).

Допустим, что при положительном полупериоде напряжения точка а имеет положительный потенциал относительно точки б. Сопротивление вентиля за этот полупериод можно принять равным нулю, поэтому через вентиль и нагрузку пройдет ток г2 = г’„ = і0. Выпрямленное напряжение и0 за этот полупериод будет равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора.

За отрицательный полупериод, когда в точках а и б изменится полярность, сопротивление вентиля можно будет принять равным бесконечности, а обратный ток — нулю. Таким образом, ток во вторичной цепи будет проходить только за положительный полупериод напряжения. На рис. 226, в приведены кривые выпрямленных токов 10 и напряжения и0 = 10г при активной нагрузке.

Достоинством однофазной однополупериодной схемы является ее простота. К недостаткам схемы относятся большая величина и низкая частота пульсации, вследствие чего увеличиваются размеры и стоимость фильтров. Из-за плохого использования трансформатора (коэффициент использования трансформатора 1Ст =0,324) увеличиваются его размеры и стоимость. На вентиле большое обратное напряжение: иоЪр = 3,14?/0— Через вентиль проходит большой максимальный прямой ток: 1втах = 3,14/0. Намагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока (вынужденное намагничивание сердечника) приводит к увеличению тока первичной обмотки и, следовательно, увеличивает площадь поперечного сечения провода первичной обмотки и размеры трансформатора.

Из-за перечисленных недостатков однофазную однополупериод-ную схему применяют только в маломощных выпрямительных устройствах, где плохое использование трансформатора оправдывается экономией, полученной от применения в схеме одного вентиля.

Однофазная двухполупериодная схема при работе на активную нагрузку. В данной схеме выпрямления (рис. 227, а) используют трансформатор Т, вторичная обмотка которого имеет нулевой вывод О (средняя точка). Поэтому эту схему часто называют схемой со средней точкой. Аноды вентилей VI и У2 подключены к концам а и б вторичной обмотки. Между общей точкой К катодов вентилей и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включена нагрузка г.

Синусоидальные напряжения «2 и и вторичной обмотки трансформатора всегда равны, но сдвинуты по фазе на 180° (рис. 227, б).

В первый полупериод, когда в точке а положительный потенциал, а в точке б — отрицательный, ток г0 проходит от точки а через вентиль VI и сопротивление г к точке 0. На вентиле V2 в это время обратное напряжение. Во второй полупериод, когда полярность точек

Рис. 226. Однофазная однопо-лупериодиая схема выпрямления (а) и диаграммы токов и напряжений в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (б и в)

Рис. 227. Однофазная двухпо-лупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления (б, виг)

а и б изменится, ток г0 будет проходить от точки б через вентиль У2 и сопротивление г к точке 0. К вентилю VI в это время подводится обратное напряжение. Таким образом, за оба полупериода переменного напряжения по активному сопротивлению нагрузки г проходит ток в одном и том же направлении.

На рис. 227, в изображены кривые выпрямленного тока г0 и напряжения и0 —= I„г. Общая точка К катодов вентилей для нагрузки является положительным полюсом, а средняя точка трансформатора — отрицательным полюсом.

В отличие от однофазной однополупериодной схемы в двухполу-периодной схеме выпрямления по вторичной обмотке трансформатора Т ток проходит в течение обоих полупериодов. При этом токи полуобмоток имеют противоположное направление. Следовательно, постоянная составляющая одного тока уравновешивает постоянную составляющую другого тока и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует. В результате этого по первичной обмотке трансформатора проходит синусоидальный ток г (рис. 227, г).

Основные соотношения для однофазной двухполупериодной схемы с идеальными вентилями, работающей на активную нагрузку, приведены в табл. 14.

В однофазной двухполупериодной схеме по сравнению с однополупериодной схемой размеры и масса трансформатора значительно уменьшаются вследствие лучшего использования трансформатора и отсутствия вынужденного намагничивания; амплитудное значение тока через вентиль уменьшается в 2 раза; уменьшаются размеры и масса сглаживающего фильтра вследствие увеличения частоты основной гармоники и уменьшения коэффициента пульсации. Обе схемы имеют одинаковое максимальное обратное напряжение на вентиле.

Однофазную двухполупериодную схему применяют в выпрямительных устройствах малой мощности для электропитания усилителей, радиоприемников и т. д.

Однофазная мостовая схема при работе на активную нагрузку.

В данную схему включают четыре вентиля (рис. 228, а). К одной диагонали моста подключают переменное напряжение и2, а к другой диагонали — нагрузку г. За первый полупериод, когда точка а имеет положительный потенциал, а точка б — отрицательный, ток г0 проходит от точки а через вентиль VI, сопротивление нагрузки г и вентиль УЗ к точке б.

Вентили У2 и У4 за этот полупериод находятся под обратным напряжением. За второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток 10 проходит от точки б через вентиль У2, сопротивление нагрузки г и вентиль У4 к точке а. Вентили VI и УЗ в это время находятся под обратным напряжением. Таким образом, за оба полу-периода напряжения и2 ток через нагрузку г проходит в одном направлении.

Общая точка К катодов вентилей VI и У2 является для нагрузки положительным полюсом, а общая точка А анодов вентилей У2 и У4 — отрицательным.

Во вторичной обмотке трансформатора ток г2 (рис. 228, б) проходит оба полупериода и имеет синусоидальную форму. Ток не имеет постоянной составляющей и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует.

На рис. 228, в представлены кривые выпрямленного тока і0 и на-пряжения и0 = г’0г.

В однофазной мостовой схеме выпрямленный ток 2 раза за один период достигает максимального значения, поэтому частота основной гармоники будет в 2 раза больше частоты напряжения сети, т. е. 1ог = ЮО Гц.

Основные параметры однофазной мостовой схемы для идеальных вентилей, работающих на активную нагрузку, приведены

Рис. 228. Однофазная мостовая схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в однофазной мостовой схеме выпрямления (б и в)

в табл. 14. В однофазной мостовой схеме по сравнению с однофазной двухполупериодной схемой с нулевым выводом вследствие лучшего использования обмоток трансформатора уменьшаются размеры и масса трансформатора, не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки, в 2 раза уменьшаются напряжение на зажимах вторичной обмотки и обратное напряжение на один вентиль.

К недостаткам однофазной мостовой схемы относятся: необходимость применения четырех вентилей; последовательное включение двух работающих вентилей (особенно высокоомных), приводящее к уменьшению выпрямленного напряжения с увеличением тока нагрузки; действующее значение тока вторичной обмотки в 1^2 раз больше действующего значения тока в схеме с нулевым выводом, что требует увеличения площади поперечного сечения провода вторичной обмотки на 20%.

В однофазной мостовой схеме применяют полупроводниковые вентили. Полупроводниковые выпрямители, собранные по однофазной мостовой схеме, используют в устройствах автоблокировки, электрической централизации и железнодорожной связи.

Трехфазная однополупериодная схема при работе на активную нагрузку (рис. 229). В зависимости от напряжения сети первичную обмотку трансформатора Т (рис. 229, а) соединяют звездой или треугольником, а для получения нулевой точки вторичную обмотку всегда соединяют звездой.

Начала вторичных обмоток, а, Ь и с соединяют с анодами вентилей VI, У2 и УЗ. Нагрузку г подключают между общей точкой К катодов вентилей и точкой О вторичной обмотки трансформатора Т.

На рис. 229, 6 показаны кривые напряжений фаз ыф1, «ф2 и ыфз, которые имеют одинаковую частоту и амплитуду, но сдвинуты по фазе на угол 120°.

За время ^-72 (т. е. в течение 1/3 периода) вентиль VI находится под наибольшим положительным напряжением. Это значит, что точка

Рис. 229. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в трехфазиой однополупе-риодной схеме (б и в)

а имеет положительный потенциал относительно точки 0, поэтому ток проходит от точки а через вентиль VI и сопротивление г к точке 0. В промежутке времени — ts наибольшее положительное напряжение возникает на второй обмотке (фазе) трансформатора и ток проходит от точки Ь через вентиль У2 и сопротивление г к точке 0. В промежутке времени t3 — tiток будет проходить от точки с через вентиль УЗ и сопротивление г к точке 0.

Таким образом, вентили VI, У2 и УЗ работают поочередно, каж-1 дыи в течение у периода, а их токи через нагрузку проходят всегда в одном направлении — от точки К к точке 0. Следовательно, точка К является положительным полюсом для нагрузки, а точка 0 — отрицательным. На рис. 229, в приведены кривые выпрямленного тока г0 и напряжения и0 = 1„г, из которых видно, что по каждой вторичной обмотке ток проходит только в течение положительного полупериода. Постоянная составляющая этого тока вызывает вынужденное намагничивание сердечника и связанное с этим увеличение тока в первичных обмотках трансформатора. Так как напряжение на нагрузке достигает максимального значения 3 раза за один период, то частота основной гармоники в этой схеме в 3 раза больше частоты напряжения в сети, т. е. 1ог = 150 Гц.

Основные параметры трехфазной однополупериодной схемы выпрямления при активной нагрузке приведены в табл. 14.

По сравнению с ранее рассмотренными схемами выпрямления однофазного переменного тока трехфазная однополупериодная схема имеет меньший коэффициент пульсации и более высокую частоту пульсации выпрямленного напряжения. В результате этого уменьшаются размеры и масса сглаживающего фильтра, обеспечивается лучшее использование обмоток трансформатора по сравнению с однофазной однополупериодной схемой и схемой со средней точкой, равномерно нагружается сеть трехфазного переменного тока.

К основным недостаткам трехфазной однополупериодной схемы относятся вынужденное намагничивание сердечника трансформатора и связанное с этим увеличение тока первичной обмотки.

Трехфазная мостовая схема при работе на активную нагрузку (рис. 230). Эту схему применяют в выпрямительных устройствах, предназначенных для электропитания устройств железнодорожной автоматики и телемеханики.

Схема состоит из трехфазного трансформатора Т, первичные и вторичные обмотки которого можно соединять звездой и треугольником. В схеме имеется шесть вентилей. Катоды вентилей VI, У2 и УЗ соединяют в общую точку К, которая является положительным полюсом выпрямительного устройства. Общая точка анодов А вентилей У4, У5 и У6 является отрицательным полюсом выпрямительного устройства.

Рис. 230. Трехфазиая мостовая схема (а) и диаграммы напряжений и токов в трехфазной мостовой схеме (б и в)

На рис. 230, б представлены кривые фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора иф1 — фа — ф0; «фг = Фь — Фо! иФз = Фе- Фо- Если потенциал нулевой точки обмоток принять равным нулю, то эти кривые будут изображать потенциалы точек а, Ь и с, т. е. иф1 = фа; цф2 = <рь и Ыф3 = фе.

В течение времени t1 — tг, равного периода Т, наибольшим положительным потенциалом обладает точка а, а наибольшим отрицательным потенциалом — точка Ь. Поэтому ток в цепи проходит от точки а через вентиль VI, сопротивление нагрузки г и вентиль V5 к точке Ь. В течение времени — ^3 наибольшим положительным потенциалом обладает точка а, наибольшим отрицательным потенциалом — точка с. Поэтому ток проходит через вентили VI и V6.

За каждую часть периода через нагрузку будет проходить ток в одном направлении — от общей точки катодов вентилей VI, V2 и V3 к анодной точке вентилей V4, V5 и V6. Кривые выпрямленного тока ?„ и напряжения «0 = ?,1 представлены на рис. 230, в. Под каждым импульсом выпрямленного тока указаны номера одновременно работающих вентилей.

В трехфазной мостовой схеме напряжения выпрямляются за оба полупериода, т. е. в течение времени tl — ?3 выпрямляется один по-лупериод напряжения, а за время — ?в — второй полупериод напряжения. Следовательно, по вторичным обмоткам трансформатора токи проходят как в положительную, так и в отрицательную часть периода, в результате чего отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. В трехфазной мостовой схеме выпрям ленный ток достигает максимума 6 раз за период. Следовательно, частота основной гармоники выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты напряжения сети, т. е. 1ог = 300 Гц.

Основные параметры трехфазной мостовой схемы, работающей на активную нагрузку, приведены в табл. 14.

Трехфазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед трехфазной одно полу пер йодной схемой: лучшее использование обмоток трансформатора и отсутствие вынужденного намагничивания сердечника, благодаря чему достигается значительное уменьшение размеров и массы трансформатора; меньшая величина и более высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет значительно уменьшить размеры, массу и стоимость сглаживающего фильтра.

Основным недостатком схемы является необходимость применения шести вентилей вместо трех. Кроме того, последовательное включение двух работающих вентилей (особенно высокоомных) уменьшает напряжение с увеличением тока нагрузки. Поэтому в трехфазной мостовой схеме обычно используют полупроводниковые вентили, обладающие небольшим внутренним сопротивлением.

Электрические вентили и выпрямительные устройства | Электропитающие устройства и линейные сооружения автоматики, телемеханики и связи железнодорожного транспорта | Влияние характера нагрузки на работу выпрямительных схем

Добавить комментарий