Особенности функционирования трехфазных выпрямителей

При активном характере нагрузки в схеме рисунка 1.3, б в любой момент времени под воздействием наибольшего линейного напряжения двух фаз импульс выпрямленного тока i ₀ (ω t) пропускают два вентиля: в катодной группе – тот, анод которого имеет наиболее высокий потенциал, а в анодной группе – тот, потенциал катода которого наиболее низкий.

Коммутация тока с одного вентиля на следующий в данной группе происходит в моменты равенства мгновенных значений фазных напряжений смежных фаз вторичной стороны трансформатора. В трансформаторе выпрямителя отсутствует постоянное подмагничивание, так как каждая фаза работает дважды за период. При этом направление токов встречное, что обеспечивает компенсацию постоянных составляющих.

Среднее значение выпрямленного напряжения U0 (постоянная составляющая) вычисляется для рассматриваемых схем рис. 1.3 для интервала повторяемости выпрямленного напряжения, равного 2 π / m (для трехфазной однотактной фазность m схемы выпрямления m = 3, для мостовой m = 6):

		(1.9)
		(1.10)

При активной нагрузке формы кривых выпрямленного тока и напряжения одинаковы, поэтому среднее значение выпрямленного тока I0 определяется аналогично (1.9):

(1.11)

Из (1.9) действующее значение напряжения U2 фазы вторичной обмотки трансформатора ТV1 определяется в виде

		(1.12)
		(1.13)

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I2 и вентиля Iв при m = 3 определяется как

		(1.14)
		(1.15)

где I _2m – амплитуда тока вторичной обмотки трансформатора ТV1.

Поскольку в мостовой схеме выпрямления длительность работы фазы в два раза больше, чем длительность работы вентиля, поэтому для m = 6

(1.16)

В результате, с учетом (1.11) и (1.15), получим

(1.17)

Действующее значение тока в фазе первичной обмотки трансформатора определяется как

		(1.18)
		(1.19)

Амплитуда k-той гармоники выпрямленного напряжения u0(ωt) определяется как

		(1.20)
		(1.21)

Соответственно коэффициенты пульсаций k-той гармоники Kп_k и первой гармоники Kп1 определяются в виде

(1.22)

При работе реального выпрямителя на его работу значительно влияют внутренние активные сопротивления r ффазы выпрямителя (r ф = r пр + r тр, где r пр – сопротивление вентиля в открытом проводящем состоянии; r тр – активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке) и индуктивности рассеяния обмоток трансформатора – первичной и вторичной Эти сопротивления определяются из опыта короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора. При анализе схем они учитываются в виде общих (для каждой фазы) эквивалентных индуктивностей , представляющих собой суммарную индуктивность из индуктивности рассеяния вторичной обмотки и приведенную по числу витков индуктивность рассеяния первичной обмотки:

(1.23)

Магнитные потоки рассеяния в трансформаторе оказывают влияние на характер электромагнитных процессов в выпрямителях. Характер магнитных потоков рассеяния зависит от конструктивных особенностей трансформаторов (формы магнитопровода, конструктивного исполнения обмоток и т. п.).

В низковольтных выпрямителях малой мощности индуктивное сопротивление обмоток трансформатора значительно меньше активного сопротивления r ф. Поэтому потоками рассеяния можно пренебречь при рассмотрении электромагнитных процессов и не учитывать их в расчетах при анализе и проектировании.

В выпрямителях большой мощности потоки рассеяния оказывают существенное влияние на характер электромагнитных процессов, гораздо больше, чем влияние r ф. Поэтому при анализе режимов работы устройства величиной r ф можно пренебречь и необходимо учитывать влияние индуктивного сопротивления .

Схема трехфазного однотактного выпрямителя с учетом индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора изображена на рис. 1.4. Поскольку в цепи нагрузки находится большая индуктивность L,то в этой цепи протекает постоянный ток. Этот ток является суммой токов фаз выпрямителя, которые протекают поочередно (в интервале одиночной работы вентиля). Поскольку в цепи каждой фазы находится индуктивность рассеяния, то ток в цепи фазы в интервале коммутации не может измениться мгновенно. Вследствие этого происходит одновременная работа двух фаз: ток одной фазы начинает плавно уменьшаться к нулю, а ток второй фазы – плавно увеличиваться от нуля к номинальному значению. При этом обе фазы работают одновременно (см. рис. 1.5), обеспечивая ток Iн нагрузки.

Рисунок 1.4 – Схема выпрямителя с учетом индуктивности рассеивания обмоток трансформатора	Рисунок 1.5 – Временные диаграммы, иллюстрирующие электрические процессы рис. 1.4

Время, выраженное в угловых единицах, в течение которого действуют (одновременно работают) обе фазы, называется углом перекрытия фаз (см. рис. 1.5):

(1.24)

где , – средние значения тока и напряжения в цепи нагрузки соответственно; m – фазность схемы выпрямления выпрямителя;
– круговая частота, f – частота сети питания.

Угол перекрытия фаз пропорционален току нагрузки, индуктивностям рассеяния обмоток трансформатора и числу фаз выпрямления.

Перекрытие фаз уменьшает выпрямленное напряжение U 0, оказывает влияние на вид внешней характеристики выпрямителя:

(1.25)

где U 0 xx – напряжение на выходе выпрямителя в режиме холостого хода.

Увеличиваются и пульсация напряжения в выходной цепи выпрямителя, и время работы каждой фазы (становится равным 2π / m + вместо 2π / m в идеализированном выпрямителе при L_b = 0).