Что такое трехфазное выпрямление, принцип работы и схемы

В данной статье поговорим про трехфазный выпрямитель (контролируемый и неконтролируемый). Подробно опишем его принцип работы, а так же рассмотрим схемы полуволнового и полноволнового трехфазного выпрямителя.

Описание

В предыдущей статье мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением, причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на полупроводниковых диодах. На самом деле выпрямление переменного напряжения является одним из самых популярных применений диодов, так как диоды недорогие, небольшие и надежные, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных цепей, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо всего один встроенный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, такие как в домах и офисах, обычно имеют фазо-нейтральное напряжение 120 или 240 Врм, также называемое линией нейтрали (LN), и номиналом постоянного напряжения и частоты, которые создают переменное напряжение или ток в форму синусоидальной формы волны с сокращением «AC».

Трехфазные выпрямители, также известные как многофазные выпрямительные схемы, аналогичны предыдущим однофазным выпрямителям. Разница на этот раз в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным генератором.

Преимущество здесь состоит в том, что трехфазные выпрямительные схемы могут использоваться для питания многих промышленных устройств, таких как управление двигателем или зарядка аккумулятора, которые требуют более высоких требований к мощности, чем однофазная выпрямительная схема.

Трехфазные источники питания развивают эту идею на один шаг вперед, комбинируя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, причем каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы имеют сдвиг по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или поворот фазы на 360 o  ÷ 3 = 120 o, как показано.

Трехфазная форма волны

Трехфазная форма волны

Преимущество здесь заключается в том, что трехфазный источник переменного тока (AC) может использоваться для подачи электроэнергии непосредственно на сбалансированные нагрузки и выпрямители. Поскольку трехфазный источник питания имеет фиксированное напряжение и частоту, он может использоваться в схеме выпрямления для получения энергии постоянного тока с постоянным напряжением, которая затем может быть отфильтрована, что приводит к выходному напряжению постоянного тока с меньшей пульсацией по сравнению с однофазной выпрямительной схемой.

Принцип работы

Видя, что 3-фазный источник питания — это просто три однофазные комбинации, мы можем использовать это многофазное свойство для создания 3-фазных цепей выпрямителя.

Как и в случае однофазного выпрямления, в трехфазном выпрямлении используются диоды, тиристоры, транзисторы или преобразователи для создания полуволновых, двухволновых, неконтролируемых и полностью управляемых выпрямительных цепей, преобразующих данный трехфазный источник питания в постоянный выходной уровень постоянного тока. В большинстве случаев трехфазный выпрямитель подается напрямую от электросети или от трехфазного трансформатора, если подключенная нагрузка требует другого уровня выхода постоянного тока.

Как и в случае предыдущего однофазного выпрямителя, наиболее простой трехфазной выпрямительной схемой является схема неуправляемого полуволнового выпрямителя, в которой используются три полупроводниковых диода, по одному диоду на фазу, как показано ниже.

Полуволновое трехфазное выпрямление

Полуволновое трехфазное выпрямление

Так как же работает эта трехфазная полуволновая выпрямительная схема? Анод каждого диода подключен к одной фазе источника напряжения с катодами всех трех диодов, соединенных вместе в одну положительную точку, эффективно создавая схему диода типа «ИЛИ». Эта общая точка становится положительной (+) клеммой нагрузки, в то время как отрицательная (-) клемма нагрузки подключается к нейтрали (N) источника питания.

Предполагая, что чередование фаз красно-желто-синее (V A  — V B  — V C ) и красная фаза (V A ) начинается при 0 o . Первым проводящим диодом будет диод 1 ( D 1  ), так как он будет иметь более положительное напряжение на своем аноде, чем диоды D 2или D 3 . Таким образом, диод D 1 проводит для положительного полупериода V A, в то время как D 2 и D 3 находятся в их обратном смещенном состоянии. Нейтральный провод обеспечивает обратный путь тока нагрузки к источнику питания.

Через 120 электрических градусов диод 2 (D 2 ) начинает проводить для положительного полупериода V B (желтая фаза). Теперь его анод становится более положительным, чем диоды D 1 и D 3, которые оба «выключены», потому что они смещены в обратном направлении. Аналогичным образом , 120 о дальнейшем V С(синия фаза) начинает возрастать поворачивая «ON» диод 3 (D 3 ) в качестве анода становится более положительным, таким образом, превращая «OFF» диоды D 1 и D 2 .

Затем мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления, какой бы диод не имел более положительного напряжения на своем аноде, по сравнению с двумя другими диодами, он автоматически начнет проводить, тем самым давая схему проводимости: D 1 D 2 D 3, как показано.

картинка-схема проводимости диодов

Из приведенных выше сигналов для резистивной нагрузки видно, что для полуволнового выпрямителя каждый диод пропускает ток в течение одной трети каждого цикла, а выходной сигнал в три раза больше входной частоты источника переменного тока. Следовательно, в данном цикле имеется три пика напряжения, поэтому за счет увеличения количества фаз от однофазного до трехфазного источника улучшается выпрямление источника питания, то есть выходное напряжение постоянного тока становится более плавным.

Для трехфазного полуволнового выпрямителя напряжения питания V A V B и V C сбалансированы, но с разностью фаз 120 o, что дает:

A  = V P * sin (ωt — 0 o )

B  = V P * sin (ωt — 120 o )

C  = V P * sin (ωt — 240 o )

Таким образом, среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя задается как:

среднее значение постоянного тока формы волны выходного напряжения от трехфазного полуволнового выпрямителя

Поскольку напряжение обеспечивает пиковое напряжение V P равно V RMS * 1,414, из этого следует, что V P равно V P / 1,414, что дает 0,707 * V P , поэтому среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя можно выразить через среднеквадратичное фазное напряжение, дающее:

среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя

Полноволновое трехфазное выпрямление

В двухволновой трехфазной неконтролируемой мостовой выпрямительной схеме используются шесть диодов, по два на фазу аналогично однофазному мостовому выпрямителю. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель получается с использованием двух схем полуволнового выпрямителя. Преимущество здесь состоит в том, что схема производит более низкий пульсационный выход, чем предыдущий полуволновой 3-фазный выпрямитель, поскольку его частота в шесть раз превышает входной сигнал переменного тока.

Кроме того, двухполупериодный выпрямитель может питаться от сбалансированного 3-фазного 3-проводного треугольника, подключенного треугольником, поскольку четвертый нейтральный (N) провод не требуется. Рассмотрим ниже трехполупериодную трехфазную схему выпрямителя.

картинка-схема трехполупериодного трехфазного выпрямителя

Как и раньше, при условии чередования фаз красного-желтого-синего (V A  — V B  — V C) и красной фазы (V A ) начинается при 0 o . Каждая фаза подключается между парой диодов, как показано на рисунке. Один диод проводящей пары питает положительную (+) сторону нагрузки, в то время как другой диод питает отрицательную (-) сторону нагрузки.

Диоды D 1, D 3, D 2 и D 4 образуют мостовую выпрямительную сеть между фазами A и B, аналогично диоды D 3 D 5, D 4 и D 6 между фазами B и C и D 5, D 1, D 6 и D 2 между фазами C и А.

Таким образом, диоды D 1, D 3 и D 5 питают положительную шину и в зависимости от того, какая из них имеет более положительное напряжение на своем анодном выводе, проводит. Аналогично, диоды D 2, D 4 и D 6 питают отрицательную шину, и какой диод имеет более отрицательное напряжение на своих катодных выводах.

Тогда мы можем видеть, что для трехфазного выпрямления диоды проводят в совпадающих парах, давая схему проводимости для тока нагрузки: D 1-2 D 1-6 D 3-6 D 3-6 D 3-4 D 5- 4 D 5-2 и D 1-2, как показано.

Форма волны двухфазного выпрямителя

В трехфазных силовых выпрямителях проводимость всегда происходит в наиболее положительном диоде и соответствующем наиболее отрицательном диоде. Таким образом, когда три фазы вращаются через выводы выпрямителя, проводимость передается от диода к диоду. Затем каждый диод проводит в течение 120 o (одну треть) в каждом цикле питания, но так как требуется два диода для проводки в парах, каждая пара диодов будет проводить только 60 o (одну шестую) цикла в любой момент времени, так как показано выше.

Поэтому мы можем правильно сказать, что для трехфазного выпрямителя, питаемого от «3» вторичных обмоток трансформатора, каждая фаза будет разделена на 360 o / 3, таким образом, требуя 2 * 3 диода. Отметим также, что в отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, между входной и выходной клеммами выпрямителя нет общего соединения. Следовательно, он может питаться от звезды или от трансформатора.

Таким образом, среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя задается как:

среднее значение постоянного тока сигнала выходного напряжения от трехфазного двухполупериодного выпрямителя

Где: V S равно (V L (PEAK)  ÷ √ 3 ), а где V L (PEAK) — максимальное линейное напряжение (V L * 1,414).

Резюме трехфазного выпрямления

В этой статье мы увидели, что трехфазное выпрямление — это процесс преобразования трехфазного источника переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение, когда выпрямление преобразует входной источник питания синусоидального напряжения и частоты в постоянное напряжение постоянного тока. Таким образом, выпрямление мощности превращает переменный источник в однонаправленный источник.

Но мы также видели, что 3-фазные неконтролируемые полуволновые выпрямители, которые используют один диод на фазу, требуют подключения в виде звезды в качестве четвертого нейтрального (N) провода для замыкания цепи от нагрузки к источнику. Трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, который использует два диода на фазу, требует только трех линий электропередачи, без нейтрали, такой как та, которая обеспечивается питанием от треугольника.

Другим преимуществом двухполупериодного мостового выпрямителя является то, что ток нагрузки хорошо сбалансирован по мосту, что повышает эффективность (отношение выходной мощности постоянного тока к подводимой входной мощности) и снижает содержание пульсаций, как по амплитуде, так и по частоте, по сравнению с полуволновой конфигурацией.

Увеличивая количество фаз и диодов в конфигурации моста, можно получить более высокое среднее выходное напряжение постоянного тока с меньшей амплитудой пульсаций, как, например, при 6-фазном выпрямлении каждый диод будет проводить только одну шестую цикла. Кроме того, многофазные выпрямители производят более высокую частоту пульсаций, что означает меньшую емкостную фильтрацию и намного более плавное выходное напряжение. Таким образом, 6, 12, 15 и даже 24-фазные неконтролируемые выпрямители могут быть разработаны для улучшения коэффициента пульсации для различных применений.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...