Работа №12 исследование шестипульсовой (трехфазной) мостовой схемы выпрямления
12.1 Цель работы
Изучение теории работы шестипульсовой (трехфазной) мостовой схемы, экспериментальная проверка основных соотношений между токами и напряжениями в элементах схемы, а также осциллографирование электрических параметров выпрямителя.
12.2 Краткие сведения из теории
Шестипульсовая мостовая схема предложена А.Н.Ларионовым. В схеме, приведенной на рисунке 12.1, шесть диодов соединяются в две группы:
1) нечетную (катодную), у которой объединены между собой катоды V1, V3, V5, а аноды присоединены к концам фаз вторичной обмотки трансформатора;
2) четную (анодную), у которой объединены аноды V2, V4, V6, а к концам фаз присоединены катоды. Между общей точкой катодов К и общей точкой анодов А присоединяется нагрузка. По отношению к внешней цепи общая точка катодов К является положительным полюсом, а общая точка анодов А - отрицательным.
В катодной группе из V1, V3, V5 в данный момент в течение одной трети периода ( ) работает диод с наиболее высоким потенциалом анода.
В анодной группе из V2, V4, V6 в данный момент работает тот диод, у которого катод наиболее отрицательный. В любой момент времени в схеме Ларионова работают последовательно два диода: один из анодной группы, а другой - из катодной. Нагрузка, таким образом, присоединяется к двум фазам вторичной обмоткой на линейное напряжение. Чередование работы отдельных диодов можно проследить по линейным диаграммам напряжений и токов в элементах схемы при работе на активную нагрузку (рисунок 12.2, а) и на активно-индуктивную нагрузку (рисунок 12.2, б).
Сплошной линией на рисунке 12.2, б показаны токи и напряжения в элементах схемы для реального трансформатора с учетом угла коммутации g, а пунктиром показаны изменения их формы для идеального трансформатора (g= 0).
Тонкими линиями показана линейная диаграмма фазных ЭДС и вторичных обмоток трансформатора. Рассматривая диаграмму фазных ЭДС с момента q=0 до замечаем, что наибольшее значение имеет . Поэтому в работу вступает V1, анод которого подключен к фазе “а”.
Рисунок 12.1 – Шестипульсовая мостовая схема выпрямления
В это же время наименьший потенциал оказывается в фазе “в” и следовательно, из анодной группы проводится ток V6, подключенный своим
катодом к фазе "в". Если пренебречь потерями напряжения на диоде, то потенциал общего катода К в этом промежутке времени будет следовать за вершиной синусоиды ЭДС , а потенциал общего анода А будет изменяться по вершине отрицательной полуволны ЭДС . В период от до наибольший потенциал по-прежнему будет в фазе "а". Поэтому V1 будет продолжать работать. Однако, в момент в анодной группе вместо V6 вступает в работу V2, подключенный к фазе "с", ЭДС которой становится минимальной. Цепь тока нагрузки , диода , вторичной и первичной обмоток для этого момента показана на схеме.
Таким образом, в промежутке от до ток нагрузки проходит через последовательно работающие V1 и V6. Рассуждая аналогично, можно прийти к выводу, что в промежутке от до p ток проходит через V3, потенциал анода которого максимален и определяется ЭДС , а V2 будет продолжать работать, так как потенциал его катода по-прежнему минимален и определяется ЭДС и т.д.
При рассмотренной очередности работы диодов потенциал общего катода будет определяться законом изменения ЭДС той фазы, с которой связан анод работающего диода катодной группы. Потенциал же общего анода определяется законом изменения отрицательной фазы ЭДС, с которой связан катод работающего диода анодной группы.
Рисунок 12.2 – Линейные диаграммы напряжения вторичной обмотки, выпрямленного напряжения и тока , токов вторичной и первичной обмоток трансформатора, тока и обратного напряжения шестипульсовой мостовой схемы выпрямления при работе на активную нагрузку (а) и активно-индуктивную с (б).
Последовательность работы диодов за полный период от 0 до 2p приведена в таблице 12.1.
На основании этой таблицы, на рисунке 12.2, жирной сплошной линией построен потенциал точки К и жирной пунктирной - потенциал точки А.
Напряжение на нагрузке определяется геометрической разностью этих кривых и построено на рисунке 11.2, а, б.
Таблица 12.1 – Последовательность работы диодов за полный период от 0 до 2p
Период времени |
|
|
|
|
|
|
2p… |
Работает вентиль катодной группы |
V1 |
V3 |
V5 |
V1 |
|||
Работает вентиль анодной группы |
V6 |
V2 |
V4 |
V6 |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Иначе говоря, диоды подключают нагрузку к трансформатору всегда так, чтобы ток протекал от наиболее положительной к наиболее отрицательной фазе (см. путь тока для периода времени , показанный пунктиром на рисунке 12.1). Из диаграммы видно, что выпрямленное напряжение и ток пульсируют с шестикратной частотой по сравнению с частотой питающей сети, но общий катод К всегда положителен, и общий анод А всегда положителен и ток в нагрузке не меняет направления. Таким образом благодаря поочередной работе диодов переменное напряжение преобразуется в постоянное . Ток нагрузки в пределах каждой группы вентилей поочередно проводится тремя диодами, каждый из которых работает . Чередование работы диодов катодной и анодной групп видно из линейной диаграммы на рисунке 12.2 а, б.
Каждый диод проводит ток , равный , в течение , а в остальную часть периода ( ) к нему прикладывается обратное напряжение , равное линейному напряжению двух фаз, как это показано на рисунке 12.2. Действительно, за время V1 не работает, и потенциал его анода изменяется по , потенциал же общего катода определяет ЭДС фазы работающих диодов V1 и V5 и изменяется по кривой . Разность потенциалов между и дает обратное напряжение .
Каждая фаза вторичной обмотки проводит ток дважды за период, так как по ней в течение проходит ток диода катодной группы V1 (для фазы а) и столько же времени при работе диода анодной группы V4 (для фазы а). Линейная диаграмма тока фазы "а" приведена на рисунке 12.2. Ток первичной обмотки будет отличаться от лишь на величину коэффициента трансформации и направлен встречно.
Выше была рассмотрена работа схемы в случае идеального трансформатора, когда индуктивное сопротивление его принималось равным 0. В реальных схемах трансформатор обладает индуктивным сопротивлением, поэтому мгновенного перехода тока с одного диода на другой быть не может.
На рисунке 12.2, б тонкими линиями представлена диаграмма фазных ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Жирная сплошная линия показывает изменение потенциала общего катода К при работе диодов катодной группы (V1, V3, V5), а жирная пунктирная - изменение потенциала общего анода А при работе диодов анодной группы (V2, V4, V6). Разность потенциалов между и дает мгновенное значение выпрямленного напряжения.
Рассмотрим работу выпрямителя при реальном трансформаторе после точки 3 (в момент ). На основании вышеизложенной теории легко заметить, что до этого момента ток нагрузки замыкался через диоды V1 и V2. В точке 3 включается V3, но ток не может мгновенно перейти с V1 на V3 из-за индуктивности в обмотках трансформатора. Поэтому возникает промежуток времени, в течение которого оба диода, а следовательно и обмотки, к которым подключены эти диоды, проводят ток. Время одновременной работы диодов называется углом коммутации g. За время коммутации работающие фазы оказываются закороченными и мгновенное значение выпрямленного напряжения снижается на величину (рисунок 11.2, б).
По окончании коммутации тока кривая выпрямленного напряжения вновь совпадает с кривой фазной ЭДС работающего диода. Коммутация тока между V2 и V4 происходит аналогично описанному после точки 4. За полный период 2p в рассматриваемой схеме коммутация тока совершается шесть раз (три раза в диодах катодной группы и три в диодах анодной группы). Таким образом, для данной схемы m=6, q=3, nк=2.
Работу отдельных диодов фаз вторичной и первичной обмоток трансформатора можно проследить по линейным диаграммам на рисунке 12.2, а при и 12.2, б при .
Из диаграммы тока видно, что диоды катодной и анодной групп пропускают полный ток нагрузки . В пределах каждой группы ток поочередно пропускается тремя диодами и мгновенное значение тока одного диода , а время работы его . Каждая фаза вторичной и первичной обмотки трансформатора пропускает ток за время 2p дважды.
Например фазы а и А пропускают ток при работе V1 и V4, поэтому .
Работа трехфазной мостовой схемы может быть охарактеризована следующими соотношениями между токами и напряжениями отдельных элементов схемы.
1. Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя
. (12.1)
За счет коммутации тока появляется коммутационное падение напряжения , и понижается среднее значение выпрямленного напряжения. Поэтому внешняя характеристика падающая и описывается уравнением
. (12.2)
2. Максимальное значение обратного напряжения равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки и составляет
. (12.3)
Наличие коммутации приводит к появлению скачка обратного напряжения на диоде.
3. Величина может быть найдена из выражения
. (12.4)
4. Угол коммутации зависит от тока нагрузки и индуктивного сопротивления трансформатора и определяется из выражения
. (12.5)
Для прямоугольной формы тока диода (g=0) в таблице 5.2 приложения 5 даны
основные соотношения между токами, напряжениями и мощностями в элементах схемы.
Из анализа работы схемы и таблицы 12.1 можно отметить достоинства шестипульсовой мостовой схемы:
1. Простая конструкция трансформатора и хорошее использование мощности трансформатора, так как незначительно отличается от .
2. Выпрямленное напряжение и ток имеют шестикратную m=6 пульсацию и не содержат гармоник частотой ниже 300 Гц.
3. В непроводящий период на диод действует незначительное по величине обратное напряжение ( ).
К недостаткам схемы следует отнести последовательное прохождение тока через два диодных плеча.