Частота основной гармоники выпрямленного напряжения для схемы ларионова составляет

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 ( б)

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

где — действующее значение фазного напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

При заданном напряжении можно найти необходимое напряжение

Коэффициент пульсации по первой гармонике составляет

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

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.

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.

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

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 2 Ө , 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 ;

найдем коэффициент пульсации

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%.

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

Источник



Мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова)

2015-05-30
24993

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3.2) состоит из трехфазного трансформатора и комплекта диодов, собранных по трехфазной мостовой схеме (схема профессора А.Н. Ларионова).

В схеме выпрямителя используется шесть диодов: VD1. VD6. Три диода (VD1, VD3, VD5) соединены в катодную группу. Их общая точка имеет положительную полярность. Из этих трех диодов проводящим будет тот, на аноде которого в данный момент наиболее высокий положительный потенциал. Три диода (VD2, VD4, VD6) соединены в общую точку анодами и образуют анодную группу.

Их общая точка имеет отрицательную полярность. Из диодов анодной группы проводящим будет тот, на катоде которого наиболее отрицательный потенциал. В каждый момент времени в рассматриваемой схеме выпрямителя, как и в однофазной мостовой схеме, открыты два диода: один — в катодной, а другой — в анодной группах. Каждый диод работает в течение одной трети периода (рис.3.2, г, д), что отражено на графиках для токов катодной (i_VDк) и анодной (i_VDa) групп.

Рисунок 3.2 — Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова):

а – электрическая принципиальная схема;

б-е – диаграммы напряжений и токов

На рис. 3.2,б изображены кривые мгновенных значений напряжений в фазах вторичных обмоток трансформатора u_а, u_b, u_c а на рис. 3.2, в — кривые выпрямленных напряжения u_d и тока i_d. На интервале t₁—t₂, равном p/3, напряжение фазы a (u_a) имеет наибольшее положительное значение и, следовательно, на аноде диода VD1 потенциал наиболее высокий, т.е. диод VD1 открыт. Наибольшее отрицательное значение на этом же интервале имеет напряжение фазы b(u_b), т.е. катод диода VD4 имеет наибольший отрицательный потенциал, отпирающий этот диод.

Таким образом, на интервале t₁ – t₂ к сопротивлению нагрузки через открытые диоды VD1 и VD4 будет приложено линейное напряжение между точками a и b (u_ab). Под действием этого напряжения ток будет протекать по цепи: + u_а, VD1, R_d, VD4, —u_b. В момент t₂ (M₁ — точка естественной коммутации диодов) мгновенные значения напряжений u_в и u_с равны, а далее напряжение u_c будет более отрицательным. Это приведет к открытию диода VD6. Диод VD1 будет оставаться открытым, так как u_a остается положительным.

На интервале t₂ – t₃, также равном p/3, будут открыты диоды VD1 и VD6, к сопротивлению нагрузки будет приложено линейное напряжение между точками а и с, и ток будет протекать в том же направлении по цепи: +u_а, VD1, R_d, VD6, —u_с. В момент t₃ (точка N₁) произойдет переключение диодов VD1 и VD3; диод VD3 откроется, так как u_в будет равным u_a и далее большим, а диод VD1 закроется.

Поскольку на нагрузку работают две последовательно соединенные вторичные фазовые обмотки трансформатора, то график выпрямленного напряжения u_d представляет собой сумму огибающих фазовых напряжений работающих обмоток трансформатора.

Можно сформулировать правило: в схеме в любой момент времени открыты только два вентиля — а именно те, через которые к резистору нагрузки приложено наибольшее линейное напряжение

Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения, как видно из рис.3.2, в, в 6 раз меньше периода изменения тока сети (Т₁ = Т_с/6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз больше частоты тока питающей сети (f₁ = 6f_c). Несмотря на то, что схема получает электропитание от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме.

Мгновенное значение выпрямленного напряжения равно линейному напряжению работающих одновременно фаз:

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

Приняв для удобства за начало отсчета точку О₁ на огибающей u_d (посредине между t₁ = p/6 и t₂ = 3p/6 на рис.3.2, в), выразим среднее значение выпрямленного напряжения через функцию косинуса

Основные соотношения, показатели качества выпрямления и энергетические параметры трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления приведены в таблице 3.1.

Достоинства трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления по сравнению с предыдущими схемами перечислены ниже .

1. Отсутствие вынужденного подмагничивания постоянной составляющей выпрямленного тока, что обеспечивает высокое значение коэффициента использования трансформатора.

2. Малая амплитуда обратного напряжения.

3. Возможность включения вентилей непосредственно в сеть переменного тока (без трансформатора), если напряжение имеет требуемую величину.

Основным недостатком данной схемы выпрямления является необходимость применения шести вентилей вместо трех по сравнению с предыдущей схемой Миткевича.

Трехфазные мостовые выпрямители находят наиболее широкое применение в ИВЭ РЭС при питании от трехфазных первичных источников.

Источник

Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.2, а) можно рассматривать как со­единение двух трехфазных выпрямителей с нулевым выводом, у одного из которых диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную группу, а у другого диоды VD2, VD4, VD6 обра­зуют анодную группу. Трансформаторы у этих выпрямителей совмещены в один. При работе мостовой схемы ток проводят всегда два диода; один в анодной, а другой – в ка­тодной группе.

В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, по­тенциал которого по отношению к средней точке трансформатора выше (более поло­жительный) потенциала анода других диодов. В анодной группе проводит тот диод, по­тенциал, которого ниже (более отрицателен) по отношению к потенциалам катодов других диодов.

Например, в момент времени θ = θ₁ (рис. 2.2, б) в катодной группе про­водит диод VD1, в анодной – VD6.

Переход тока с диода на диод в обоих группах происходит в точках естественной коммутации К₁, К₂, К₃,…, А_1, А₂, А₃ и т.д. Порядок вступления диодов в работу соответствует их номерам (см. рис. 2.2, б). Таким образом, по отношению к нулевой точке трансформатора потенциал общих катодов из­меряется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей кривых фазных напряжений u_a, u_b, u_c.

Мгновенное выпрямленное напряжение u_d (рис. 2.2, г мостового выпрямителя равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, за­ключенным между верхней и нижней огибающими (рис. 2.2, б). Из рис. 2.2, в видно, что пульсации выпрямленного напряжении u_d и тока i_d (см. рис. 2.2, a, при активной нагрузке ключ К замкнут) происходят с шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через диод показана на рис. 2.2, в, г, при ак­тивной нагрузке выпрямителя r_в и работе выпрямителя на обмотку возбуждения (см. рис. 2.2 в, штриховая линия). Обратное напряжение имеет форму, как в нулевой схеме, но в два раза меньшей амплитуды.

Ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает дважды за пе­риод в противоположных направлениях. В связи с этим в мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Форма первичного тока находится из условия компенсации магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток (см. рис. 2.2, д) при соединении первичной обмотки в звезду. Выпрямитель при этом на­гружен на обмотку возбуждения. Расчетные соотношения для мостовой схемы нахо­дятся из общих формул (2.1 – 2.8), при m = 6. Численные значения соответствующих ве­личин приведены в таблице 1.1.

При сравнительном анализе трехфазной нулевой и мостовой схем можно сделать те же выводы, что и для соответствующих однофазных схем.

Улучшение гармонического состава кривых выпрямленного напряжения и сете­вого тока достигается в многофазных схемах выпрямления, используемых для машин большой мощности. На практике широко применяют двенадцатифазные схемы вы­прямления (m = 12), образованные последовательным или параллельным соединением двух мостовых выпрямителей.

Источник