3.2. Основные схемы выпрямителей

Рассмотрим модификации схем выпрямления, применяемых в практике испытательных работ.

1. Однополупериодная схема выпрямления (рис. 3.1).

На активной нагрузке (сопротивлении) выпрямленные напряжение и ток имеют пульсирующий вид. При емкостной нагрузке конденсатор, при отсутствии утечки, будет заряжаться до амплитудного значения напряжения: , где – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Рис. 3.1. Однополупериодная схема выпрямления.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения равна:

(3.4)

2. Двухполупериодные схемы выпрямления.

а) Двухполупериодная однотактная схема (рис. 3.2). Нагрузка подключена к средней точке вторичной обмотки трансформатора. Каждый полупериод напряжения работает только одна половина вторичной обмотки, поэтому напряжение на нагрузке равна половине . При емкостной нагрузке конденсатор заряжается до половины амплитудного напряжения

Рис. 3.2. Двухполупериодная однотактная схема выпрямления.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения равна:

(3.5)

При том же значении постоянной составляющей уровень пульсаций такой схемы выпрямления в два раза ниже.

б) Двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 3.3). Уровень пульсаций вдвое ниже, чем при однополупериодном выпрямлении. При емкостной нагрузке конденсатор заряжается до амплитудного значения

Рис. 3.3. Однофазная мостовая схема выпрямления.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения равна:

(3.6)

3. Трехфазные схемы выпрямления.

а) Трехфазная однотактная схема выпрямления (рис. 3.4). Трехфазные схемы выпрямления применяются при больших мощностях потребителей выпрямленного тока (как правило Р>5 кВт) или в тех случаях, когда требуется низкий уровень пульсации тока в нагрузке.

Рис. 3.4. Трехфазная однотактная схема выпрямления.

В такой схеме в течение периода напряжения сети каждый вентиль открыт поочередно 120⁰, остальные два - закрыты. Выпрямленный ток в нагрузке имеет уровень пульсаций много ниже, чем в схемах однофазного выпрямления. Снижение уровня пульсаций весьма важно при больших потребляемых мощностях, поскольку пульсации могут снижать качество электроэнергии сети, а именно порождать в ней высшие гармоники. В некоторых случаях для снижения уровня гармоник последовательно с нагрузкой устанавливают реакторы (L_Р), обеспечивающие индуктивное сглаживание пульсаций тока.

Первичную обмотку трансформатора можно соединить звездой или треугольником, вторичную – звездой или зигзагом (на рис. 3.4 – звезда). Соединение вторичной обмотки в зигзаг используют для компенсации постоянных и переменных намагничивающих сил трансформатора, вызванных фазными токами.

Для определения постоянной составляющей выпрямленного напряжения достаточно рассмотреть промежуток ОО¹ =120^0. Если ось ординат совпадает с амплитудой напряжения U_{1 ,} напряжение на нагрузке равно:

(3.7)

б) Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова). Схема Ларионова состоит из трехфазного трансформатора и шести вентилей (рис. 3.5). В этой схеме поочередно открыты два вентиля: вентиль с наибольшим положительным напряжением на аноде и вентиль с наибольшим отрицательным напряжением на катоде. Число коммутаций вентилей за период – 6. Уровень пульсаций меньше, чем в однотактной трехфазной схеме выпрямления. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения равна:

(3.8)

Напомним, что в формулах (3.7) и (3.8) действующее фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора. Так как в схеме Ларионова число пульсаций за период m = 6, то эту схему выпрямления относят к шестифазным выпрямителям.

Рис. 3.5. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова).

Дальнейшее снижение уровня пульсаций достигается созданием 12- фазных схем выпрямления. Это обеспечивается использованием трехобмоточных трансформаторов, соединенных по схеме , у которых две вторичные обмотки подключены каждая к собственной однотактной или двухтактной схеме вентилей. Выпрямители по отношению к нагрузке могут соединяться параллельно или последовательно.

В особо мощных установках выпрямленный ток в нагрузке с низким уровнем пульсаций получают в схемах с двумя двухобмоточными трансформаторами, соединенными по схеме, приведенной на рис. 3.6.

Рис. 3.6. 12–фазная двухтактная параллельная вентильная схема.

Снижение уровня пульсаций в 12-фазных схемах замещения достигается таким соединением обмоток трансформаторов, что токи вентилей групп дополнительно сдвинуты друг относительно друга на 30⁰ .

Выбор выпрямительного устройства зависит не только от потребляемой мощности и значения выпрямленного напряжения, но также требуемого уровня пульсаций выпрямленного напряжения в нагрузке. В мощных выпрямительных устройствах пульсирующий отбор мощности из сети может значительно влиять на качество электроэнергии сети. В ряде методов испытаний оборудования и технологий уровень пульсаций жестко нормирован и не допускает его превышения.

Рассмотрим количественную оценку уровня пульсации, поскольку выпрямленное напряжение в любой вентильной схеме, как показано выше, имеет пульсирующий характер. Число пульсаций и их уровень за период напряжения сети для различных схем выпрямления различные. Причиной пульсаций является то, что выпрямленное напряжение кроме постоянной составляющей содержит также переменную :

;

Здесь - есть сумма всех высших гармоник выпрямленного напряжения, амплитуда которых зависит главным образом от характера нагрузки и способа фильтрации (или сглаживания) выпрямленного тока.

Рассмотрим случай чисто активной нагрузки, при этом сопротивлениями вентилей и цепей трансформатора пренебрежем. На рис. 3.7 приведена кривая выпрямленного напряжения, когда число пульсаций m = 6 (трехфазная мостовая схема Ларионова).

Рис. 3.7. Пульсации выпрямленного напряжения (трехфазная мостовая схема).

В этом случае период пульсаций составляет , поэтому напряжение содержит гармоники с порядковыми номерами ( . Если ось ординат совпадает с амплитудой кривой выпрямленного напряжения, то оно будет содержать только косинусоидальные гармоники, т.е.:

(3.9)

Амплитуда гармоники:

,

(3.10)

или в относительных единицах:

.

Следует отметить, что существенна лишь амплитуда гармоники при , то-есть первой гармоники биений, остальные многократно меньше и пренебрежимы. Соотношение амплитуды первой гармоники с напряжением называют коэффициентом пульсаций схемы, который соответственно равен:

(3.11)

Коэффициенты пульсаций наиболее используемых схем составляют:

Тип схемы выпрямления m q .

однополупериодная	1	1,57
двухполупериодная	2	0,67
трехфазная однотактная	3	0,25
трехфазная мостовая	6	0,057

Естественно q для однополупериодной схемы рассчитывается отдельно, поскольку в определении его числа пульсаций есть неопределенность.

Учет коэффициента пульсаций необходим при выборе испытательной схемы, и принятия схемных решений по его снижению.

4. Управляемые выпрямители.

В практике испытаний на постоянном напряжении требуется, как правило, регулирование величины выпрямленных тока и напряжения. На практике это достигается следующими методами:

- использование регуляторов напряжения на входе трансформатора;

- изменение коэффициента трансформации путем изменения положения контакторов на добавочных выводах (анцапфах) трансформатора на его первичной или вторичной обмотках;

- регулирование угла зажигания управляемых полупроводниковых приборов: транзисторов или тиристоров.

Рассмотрим регулирование действующего значения выпрямленного тока на примере управляемой двухполупериодной мостовой схемы выпрямления (рис. 3.8).

Поочередно открыты пара вентилей: 1 – 3 или 2 – 4. Допустим, что управление углом открывания  вентилей лежит в диапазоне от 0 до 90⁰ (0 до ).

Рис. 3.8. Схема управляемого двухполупериодного мостового выпрямителя.

Величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения будет зависеть от угла зажигания вентилей :

(3.12)

Таким образом, в схеме с управлением угла открывания вентилей действующее значение выпрямленного напряжения лежит в пределах (0,45 – 0,9) при изменении  от 0 до . Уровень пульсаций в схемах с управляемыми вентилями возрастает, поэтому для их сглаживания требуются дополнительные технические меры.

В качестве вентилей в выпрямительных установках высокого напряжения в настоящее время используются проводниковые управляемые и неуправляемые вентили: диоды транзисторы, тиристоры, динисторы. Ламповые вентили: кенотроны, игнитроны и др. в настоящее время практически нигде не применяются (иногда в устаревших установках, еще находящихся в эксплуатации).