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* |
1о |
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⇒