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) С/0; среднее значение выпрямленного тока /0; допустимый коэффициент пульсации /(„.

Пульсирующее напряжение можно представить как сумму некоторого постоянного напряжения и ряда пепеменных 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 Нтах к постоянной составляющей выпрямленного напряжения Н0 называют коэффициентом пульсации, т. е. Ка = Нтах/{/0. 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 (У, и частоте сети 1 для каждой схемы можно определить параметры вентилей и трансформатора. Параметрами вентиля являются максимальные значения прямого тока /втах, обратного напряжения ио^ 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 и2 вторичной обмотки и токов /х и /2 соответственно первичной и вторичной обмоток, а также расчетная (типовая) мощность трансформатора Дт=(П1/1 + ?/2/2)/2. Расчетная мощность Рт всегда больше мощности выпрямленного тока Р„ - П„/0. Отношение Р„/Рт = К, называют коэффициентом использования трансформатора. Чем больше К.т, 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 выпрямлении переменного тока

Электрические величины

однофазная

трехфазная

однопол у-периодная

двухполупериодная

мостовая

однопол у-пернодная

моегован

Максимальное значение: тока вентиля /„ тах

3,141 /0

1,57 /о

1,57 /,

1,21 /0

1,045 /с

обратного напряжения

3,!4б0

3,14 U0

1,57 L'0

2.16',

1,045 i „

U обр

Среднее значение тока вен-

0,5/0

0,5 /,

0,33 /0

0,33 /0

ТИЛЯ /в

Действующее значение: напряжения вторичной об-

2,22 и0

2x1,11 U0

1.11 ив

0.855U0

0,43 U0

мотки трансформатора Ul тока вторичной обмотки ^2

1-57 /,

0,785 /0

1.П/.

0,58 /„

0,82 /,

Расчетная мощность транс-

3,09 Р0

1,48 Во

1,23 Р„

1,35 Р0

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

нне сердечника трансформатора

Частота основной гармоники

50

100

100

150

300

/ог при частоте сети 50 Гн Коэффициент пульсации Кп

1,57

0,67

0,67

0,25

0.057

* Для трехфазных схем выпрямления U2 - 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 иъ то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает * переменное напряжение (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 == ів = г0. Выпрямленное напряжение и0 за этот полупериод будет равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора.

За отрицательный полупериод, когда в точках о 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 /0 и напряжения п0 = 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 Кт =0,324) увеличиваются его размеры и стоимость. На вентиле большое обратное напряжение: До0р = 3,14Д0. Через вентиль проходит большой максимальный прямой ток: /втах - 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 0 (средняя точка). Поэтому эту схему часто называют схемой со средней точкой. Аноды вентилей VI и V2 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 и'о и и 2 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 /0 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

Однофазная однопо-лупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы токов и напряжений в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (б и в)
Рис. 226. Однофазная однопо-лупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы токов и напряжений в однофазной однополупериодной схеме выпрямления (б и в)
Однофазная двухпо-лупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы напряжений и токов в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления (б, виг)
Рис. 227. Однофазная двухпо-лупериодная схема выпрямления (о) и диаграммы напряжений и токов в однофазной двухполупериодной схеме выпрямления (б, виг)

а и б изменится, ток і0 будет проходить от точки б через вентиль Х’2 и сопротивление г к точке 0. К вентилю VI в это время подводится обратное напряжение. Таким образом, за оба полу периода переменного напряжения по активному сопротивлению нагрузки г проходит ток в одном и том же направлении.

На рис. 227, в изображены кривые выпрямленного тока і0 и напряжения и(1 = і0г. 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 гф (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 и.2, а к другой диагонали - нагрузку г. За первый полупериод, когда точка а имеет положительный потенциал, а точка б - отрицательный, ток і0 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 („ проходит от точки б через вентиль У2, сопротивление нагрузки г и вентиль У4 к точке а. Вентили VI и КЗ 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 г0 и напряжения 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. /ог = ЮО Гц.

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

Однофазная мостовая схема выпрямления (н) и диаграммы напряжений и токов в однофазной мостовой схеме выпрямления (б и в)
Рис. 228. Однофазная мостовая схема выпрямления (н) 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 V2 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 однололупериодная схема при работе на активную на-грузку (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 1/3. Нагрузку г подключают между общей точкой К катодов вентилей и точкой О вторичной обмотки трансформатора Т.

На рис. 229, б показаны кривые напряжений фаз иф1, пф2 и ифз, которые имеют одинаковую частоту и амплитуду, но сдвинуты по фазе на угол 120°.

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

Трехфазная однополунериодная схема выпрямления (о) и диаграммы напряжений и токов в трехфазной однополупе-рйодной схеме (бив)
Рис. 229. Трехфазная однополунериодная схема выпрямления (о) и диаграммы напряжений и токов в трехфазной однополупе-рйодной схеме (бив)

а имеет положительный потенциал относительно точки О, поэтому ток проходит от точки а через вентиль VI и сопротивление г к точке 0. В промежутке времени t2 - 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 *3 - 4 ток будет проходить от точки с через вентиль УЗ и сопротивление г к точке 0.

Таким образом, вентили VI, У2 и УЗ работают поочередно, каждый 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 »о и напряжения и0 = /„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. /ог = 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.

Трехфазная мостовая схема (а) и диаграммы напряжений и токов в трехфазной мостовой схеме (б и в)
Рис. 230. Трехфазная 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 = сра - ср0; иф2 = срь - <р0; иФз = фс - фо- Если потенциал нулевой точки обмоток принять равным нулю, то эти кривые будут изображать потенциалы точек а, Ь и С, Т. е. Ыф] Срн, Цф2 Фь И Цф3 = срс.

В течение времени - 12, 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 У5 к точке Ь. В течение времени 1г - tэ наибольшим положительным потенциалом обладает точка а, наибольшим отрицательным потенциалом - точка с. Поэтому ток проходит через вентили VI и У6.

За каждую часть периода через нагрузку будет проходить ток в одном направлении - от общей точки катодов вентилей VI, У2 и УЗ к анодной точке вентилей У4, У5 и У6. Кривые выпрямленного тока ц, и напряжения и0 = /0г 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 - і3 выпрямляется один по-лупериод напряжения, а за время 4 - /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. /ог = 300 Гц.

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

Трехфазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед трехфазной однополупериодной 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

Рекомендуемый контент: