3.2. Выпрямители трехфазного тока

Исходные положения. Принципы построения и режимы работы трехфазных выпрямителей аналогичны однофазным выпрямителям. Поэтому при анализе схем однофазных и трехфазных выпрямителей используются подобные методы. Особенностью трехфазных выпрямителей является значительно меньшая переменная составляющая выпрямленного напряжения. В связи с этим в трехфазных неуправляемых выпрямителях, даже при чисто активной нагрузке, ток нагрузки является непрерывным. В трехфазных выпрямителях допущение о полностью сглаженном токе более близко к реальным режимам работы. Поэтому это допущение, наряду с другими, которые применялись при анализе однофазных выпрямителей, будет неоднократно использовано.

Однотактный выпрямитель. Схема (рис. 3.5) состоит из трехфаз­ного преобразовательного трансформатора Т с выведенной нулевой точкой вторичной обмотки, соединенной в звезду и выпрямительной схемы на диодах VD1, VD2, VD3, аноды которых соединены с вторичными обмотками, а като­ды объединены в общую точку [1]. Положительный полюс выпря­мителя образует общая катодная точка, а отрицательный – нуле­вая точка вторичной обмотки трансформатора. Возможен ва­риант схемы с инверсным вклю­чением диодов.

В рассматриваемой схеме в каждый момент времени ток на­грузки i_d пропускает один диод, потенциал анода которого мак­симален относительно нулевой точки.

Каждый диод на интерва­ле одного периода проводит 2π/3=120 эл. град. Выпрямленное напряжение U_d формируемся напряжениями фазы а, фазы b и фазы с и т. д. (рис.3.6).

Среднее значение выпрямленного напряжения [2]:

, (3.21)

где U_m2ф, U_2ф – соответственно амплитудное и действующее значения фазного напряжения на холостом ходу.

Средний ток диода

. (3.22)

Обратное напряжение диода определяется как разность потенциалов анода диода VD1 и катодов диодов VD2 и VD3 соответственно на интервалах их проводимости. Это напряжение по существу состоит из напряжений U_ba, и U_ca.

Риc. 3.5

Риc. 3.6

Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения:

. (3.23)

Эффективное значение тока вторичных обмоток

, (3.24)

а тока первичных обмоток

. (3.25)

Типовая мощность трансформатора

. (3.26)

Коэффициент использования мощности трансформатора

. (3.27)

Степень использования трансформатора выше, чем в однофазных нулевых выпрямителях, но все же достаточно низка. Кривые вторичных обмоток содержат постоянную составляющую I_d/3, которая создает в каждом из трех стержней магнитопровода трансформатора однонаправленный поток вынужденного подмагничивания [3]. Этот поток замыкается от верхнего ярма трансформатора к нижнему через воздух, а также детали крепления магнитопровода и стальной бак, и вызывает появление вихревых токов и нагревание. Это явление может вызвать насыщение магнитопровода. Для избежания этого приходится увеличивать размеры трансформатора. Подмагничивание можно устранить, если применить специальное соединение обмоток в зигзаг. Однако это усложняет трансформатор. Лучшие результаты дает применение трехфазных двухтактных выпрямителей.

Двухтактный выпрямитель (схе­ма Ларионова). Выпрямитель, построенный по данной схеме, состоит из трехфазного двухобмоточного преобразовательного трансформа­тора, вторичные обмотки которого соединяются в звезду или тре­угольник, и двух групп диодов: анодной и катодной, каждая из кото­рых имеет по три диода. Диоды анодной и катодной групп образуют трехфазный мост (рис. 3.7). Положительным полюсом является общая точка катодной, а отрицательным полюсом – анодной групп диодов.

В мостовой схеме выпрямителя ток i_d одновременно проводят два диода: один в анодной группе, потенциал катода которого минимален, другой в катодной группе, потенциал анода которого максимален относительно нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Коммутация тока с одного вентиля на следующий, очередной в данной группе происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора (рис. 3.8). Например, на интервале π/6 < ωt < π/2 наибольшее значение имеет напряжение u_a, а наи­мень­шее  u_b. Соответственно открыты диоды VD1 и VD4, ток замыкается по контуру ТрVD1R_dVD4Тр, к нагрузке приложено напряжение . На интервале π/2 < ωt < 5π/6 открыты VD1, VD6, к нагрузке прикладывается напряжение u_aс и т. д. В результате к нагрузке в любой момент времени приложено линейное напряжение.

Кривая обратного напряжения на закрытом диоде состоит из «кусков» синусоид соответствующих линейных напряжений.

Среднее значение выпрямленного напряжения [2]

, (3.28)

где U_m2л, U_2л – соответствующее амплитудное и эффективное значения вторичного линейного напряжения.

Средний ток диода

. (3.29)

Максимальное обратное напряжение

. (3.30)

Действующие значения тока первичных и вторичных обмоток [4]

. (3.31)

Рис. 3.7

Рис. 3.8

Расчетная (типовая) мощность трансформатора [3]

. (3.32)

Коэффициент использования трансформатора

. (3.33)

Ниже, в таблице 3.1, приведены основные расчетные соотношения рассмотренных схем выпрямления при работе на активную нагрузку.

Таблица 3.1

Тип выпрямителя	Ud	Ia	Ub max	I2	I1	Sт
Однофазный однотактный однополупериодный выпрямитель	0,45U2	Id	πUd	1,57Id	1,21Id	3,09Pd
Однофазный однотактный двухполупериодный выпрямитель (нулевая схема)	0,9U2	0,5Id	πUd	0,785Id	1,11Id	1,48Pd
Однофазный двухтактный мостовой выпрямитель (схема Гретца)	0,9U2	0,5Id	1,57Ud	1,11Id	1,11Id	1,23Pd
Трехфазный однотактный выпрямитель	1,17U2ф	Id/3	2,09Ud	0,58Id	0,47Id	1,35Pd
Трехфазный двухтактный выпрямитель (схема Ларионова)	1,35U2л	Id/3	1,05Ud	0,82Id	0,82Id	1,05Pd