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, n_к=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.