<link rel="stylesheet" href="//bits.wikimedia.org/ru.wikipedia.org/load.php?debug=false&amp;lang=ru&amp;modules=noscript&amp;only=styles&amp;skin=vector&amp;*" type="text/css" media="all" />

Трёхфазный выпрямитель

[править]
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Трёхфазный выпрямитель (англ. Three phase rectifier) — устройство применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского.

Схемы трёхфазных выпрямителей Миткевича и Ларионова
Схема трёхфазного выпрямителя Ларионова на трёх диодных полумостах (на 6 диодах)

Содержание

 [убрать

[править] История и классификация

Наиболее распространены трёхфазный выпрямитель по схеме Миткевича В.Ф. (на трёх диодах), предложенный им в 1901 г.[1], и трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А.Н. (на шести диодах), предложенный им в 1923 г.[2].

Менее известны трёхфазные выпрямители по схемам «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах) и др., которые по многим параметрам превосходят и схему Миткевича и схему Ларионова. При этом требуются диоды со средним током через один диод почти вдвое меньшим, чем в схеме Ларионова.

Следует отметить, что выпрямитель Миткевича является четвертьмостовым параллельным, выпрямитель Ларионова является не полномостовым, как его часто считают, а полумостовым параллельным («три параллельных полумоста»). В зависимости от схемы включения трёхфазного трансформатора или трёхфазного генератора (звезда, треугольник) схема Ларионова имеет две разновидности: «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов», которые имеют разные напряжения, токи, внутренние сопротивления.

По схемам можно заметить, что схема Миткевича является недостроенной схемой Ларионова, а схема Ларионова является недостроенной схемой «три параллельных моста».

Из-за принципа обратимости электрических машин по этим же схемам строятся и преобразователи (инверторы).

[править] Применение

[править] Трёхфазный выпрямитель "три четвертьмоста параллельно" (Миткевича В. Ф.)

Схема трёхфазного ртутного выпрямителя по схеме В.Ф.Миткевича приведена в [3].

Три четвертьмоста параллельно (Миткевича В. Ф.)
Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

(«Частично трёхполупериодный с нулевым выводом»). Площадь под интегральной кривой равна:

S = 6\cdot \int\limits_{\pi/6}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) = 6 \frac{\sqrt3}{2}\cdot E_m = 3 \cdot \sqrt3 \cdot E_m, где E_m=\sqrt 2\cdot E_2eff, — максимальное (наибольшее) мгновенное значение ЭДС, E_2eff\,\! — эффективное (действующее) значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора или генератора.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac{3 \cdot \sqrt3 \cdot E_m}{2\cdot \pi}=0,83 \cdot E_m=1,17 \cdot E_2eff.\,\!

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода эдс обратносмещает (закрывает) диоды в ветви с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Относительное эквивалентное активное сопротивление при этом равно сопротивлению одной ветви 3\cdot r.\,\! При увеличении нагрузки (уменьшении Rn\,\!) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно. Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках равно 3\cdot r/2.\,\! В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Отрицательные полупериоды в выпрямителе Миткевича не используются. Из-за этого выпрямитель Миткевича имеет очень низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора и применяется при малых мощностях.

Частота пульсаций равна 3\cdot f\,\!, где f\,\! — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна 0,5 \cdot E_m.
Относительная амплитуда пульсаций равна 0,5/0,83=0,6 (60%)\!.

[править] Три разделённых полумоста параллельно (три «с удвоением напряжения» параллельно)

[править] Трёхфазный выпрямитель "три полумоста параллельно, объединённые кольцом (треугольником)" («треугольник-Ларионов»).

Treugolnik-Larionov.jpg
Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.

В выпрямителе "треугольник-Ларионов" потери в меди больше, чем в выпрямителе "звезда-Ларионов", поэтому на практике чаще применяется схема "звезда-Ларионов".

Кроме этого, выпрямители Ларионова А. Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.

В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» (англ. full wave), на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.


Площадь под интегральной кривой равна:

S = 12\cdot \int\limits_{\pi/3}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) = 12 \cdot \frac {1}{2}\cdot E_m=6\cdot E_m.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac{6\cdot E_m}{2\cdot \pi}=\frac{3\cdot E_m}{\pi}=0,95 \cdot E_m=1,35 \cdot E_2eff\!, то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.

В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (2\cdot \pi). Малый период равен 60° (\ \pi/3), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (\ \pi/6), которые зеркальносимметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.

На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.

В начальный момент (w\cdot t = 0) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,87*Em, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,87) и одинаковыми сопротивлениями по 3*r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3*r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,87, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема становится параллельным включением двух ветвей, в одной из которых бо́льшая ЭДС и её сопротивление равно 3*r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2*3*r=6*r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно

3\cdot r\cdot 6\cdot r/(3\cdot r+6\cdot r)=18\cdot r^2/(9\cdot r)=2\cdot r.\,\!

Частота пульсаций равна 6\cdot f\,\!, где f\,\! — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна (1-\frac{\sqrt3}{2}) \cdot E_m=(1-0,87) \cdot E_m=0,13 \cdot E_m.
Относительная амплитуда пульсаций равна 0,13/0,95=0,14 (14%)\!.

[править] Трёхфазный выпрямитель "три полумоста параллельно, объединённые звездой" («звезда-Ларионова»)

Три полумоста параллельно, объединённые звездой («звезда-Ларионов»).
Zwezda-Larionow.jpg

Выпрямитель звезда-Ларионов (шестипульсный) применяется в генераторах электроснабжения бортовой сети почти на всех средствах транспорта (автотракторных, водных, подводных, воздушных и др.). В электроприводе дизельэлектровозов и дизельэлектроходов почти вся мощность проходит через выпрямитель звезда-Ларионов.

Площадь под интегральной кривой равна:

S = 12\cdot (\int\limits_{\pi/3}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) + \int\limits_{\pi/6}^{\pi/3} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t)) =
= 12\cdot \frac{\sqrt 3}{2}\cdot E_m = 6\cdot \sqrt 3\cdot E_m.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac{6\cdot \sqrt 3\cdot E_m}{2\cdot \pi}=\frac{3\cdot \sqrt 3\cdot E_m}{\pi}=1,65 \cdot E_m=2,34 \cdot E_2eff\!, то есть в \sqrt 3 раз больше, чем в схемах «треугольник-Ларионов» и «три параллельных полных моста» и вдвое больше, чем в схеме Миткевича.

В этом выпрямителе есть большой период равный 360° и малый период, равный 60°. В большом периоде помещаются 6 малых периодов. Малый период в 60° состоит из двух зеркальносимметричных частей по 30°, поэтому для описания работы этой схемы достаточно разобрать её работу на одной части в 30° малого периода. В начале малого периода (w\cdot t = 0) ЭДС в одной из ветвей равна нулю, в двух других — по 0,87*Em. Эти две ветви включены последовательно. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно 6\cdot r.\,\! Далее, одна из ЭДС увеличивается от 0,87 до 1,0, другая уменьшается от 0,87 до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Эквивалентная схема при этом изменяется и представляет собой две последовательно включенные ветви, в одной из которых одна ЭДС и её сопротивление равно сопротивлению одной обмотки 3*r, в другой две параллельно включенные ЭДС с сопротивлением 3*r каждая, эквивалентное сопротивление двух параллельных ветвей равно 3*r/2. Эквивалентное активное внутреннее сопротивление всей цепи равно 3\cdot r/2+3\cdot r=9\cdot r/2=4,5\cdot r.\,\!. В режимах близких к холостому ходу (при малых нагрузках) в параллельных ветвях э.д.с. в ветви с большей э.д.с. обратносмещает (закрывает) диод в ветви с меньшей э.д.с., при этом изменяется эквивалентная схема. При увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на нагрузку параллельно. В режиме короткого замыкания отрезки параллельной работы увеличиваются до длины всего периода, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Частота пульсаций равна 6\cdot f\,\!, где f\,\! — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна (\sqrt3-1,5) \cdot E_m=(1,73-1,5) \cdot E_m=0,23 \cdot E_m.
Относительная амплитуда пульсаций равна 0,23/1,65=0,14 (14%)\!.

[править] Трёхфазный выпрямитель "три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича параллельно" (6 диодов)

Shestifaznyi.jpg

В литературе иногда называют «шестифазный» (см. немецкую страницу в Википедии de:Gleichrichter#Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator). Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.

Площадь под интегральной кривой равна:

S = 12\cdot \int\limits_{\pi/3}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) = 12\cdot \frac{1}{2}\cdot E_m = 6\cdot E_m.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac {6\cdot E_m}{2\cdot \pi}=\frac {3\cdot E_m}{\pi}=0,95 \cdot E_m=1,35 \cdot E_2eff, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в \sqrt 3 раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

[править] Трёхфазный выпрямитель "три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно" (6 диодов)

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.

[править] Трёхфазный выпрямитель "три полных моста параллельно" (12 диодов)

Tri mosta.jpg
Тримоста.jpg
Tri parallelnyh mosta.jpg
Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А. Н.. По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А. Н., а выпрямитель Ларионова А. Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».

Площадь под интегральной кривой равна:

S = 12\cdot \int\limits_{\pi/3}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) = 12\cdot \frac{1}{2}\cdot E_m = 6\cdot E_m.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac{6 \cdot E_m}{2\cdot \pi}=\frac{3\cdot E_m}{\pi}=0,95 \cdot E_m=1,35 \cdot E_2eff\!, то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в \sqrt 3 раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно активному сопротивлению одного моста (одной обмотки) 3\cdot r.\,\! При увеличении нагрузки (уменьшении Rn\,\!) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов 3\cdot r/2=1,5\cdot r.\,\! При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов r.\,\! В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю. Из этого следует, что с учётом разницы величин ЭДС (\sqrt3), эквивалентное внутреннее активное сопротивление (и потери в меди) выпрямителя «три параллельных моста» получается меньше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов». Из-за меньшего эквивалентного внутреннего активного сопротивления в выпрямителе «три параллельных полных моста» нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.
Выпрямитель "три параллельных моста" имеет большую надёжность, чем выпрямитель "звезда-Ларионов". При обрыве (выгорании) 5/6 диодов выпрямитель "звезда-Ларионов" становится полностью неработоспособным, а выпрямитель "три параллельных моста", в случае оставшихся диодов в противоположных плечах одного моста, ещё даёт около 1/6 от полной мощности, чего может хватить, чтобы "дотянуть" до ремонта. В выпрямителе "три параллельных полных моста" средний ток через один диод почти вдвое меньше, чем в выпрямителе "звезда-Ларионов", а такие диоды дешевле и доступнее.
Недостатки.
1. При очень малых токах нагрузки эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти равно активному сопротивлению одной обмотки, т.е. больше, чем в выпрямителе "треугольник-Ларионов".
Устранение недостатка. При очень малых токах нагрузки схему "три параллельных моста" можно переключать на схему "треугольник-Ларионов" переключателем с тремя замыкающими контактными группами.
2. Из-за четырёхпроводной трёхфазной сети выпрямитель "три параллельных моста" может работать только вблизи трансформатора, выпрямитель Ларионова - на удалении от трансформатора.
Устранение недостатка. Проводка шестипроводной линии электропередачи.

По свойствам этот выпрямитель ближе к источникам тока и может почти во всех устройствах заменить выпрямители «звезда-Ларионов» и «треугольник-Ларионов», (электропривод тепловозов, теплоходов, атомоходов, прокатных станов, буровых вышек, блоки питания мощных электролизёров, мощных радиопередатчиков, мощных радиолокаторов, мощных лазеров, электротранспорта постоянного тока, генераторы бортовой сети автотракторной и др. техники и в других устройствах), при этом уменьшается нагрев обмоток и сберегается около 4% электроэнергии (топлива)).

Частота пульсаций равна 6\cdot f\,\!, где f\,\! — частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна (1-\frac{\sqrt3}{2}) \cdot E_m=(1-0,87) \cdot E_m=0,13 \cdot E_m.
Относительная амплитуда пульсаций равна 0,13/0,95=0,14 (14%)\!.

[править] Трёхфазный выпрямитель "три полных моста последовательно" (12 диодов)

Tri posledowatelnyh mosta.jpg

Площадь под интегральной кривой равна:

S = 12\cdot (\int\limits_0^{\pi/6} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) + \int\limits_{\pi/6}^{\pi/3} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t) + \int\limits_{\pi/3}^{\pi/2} E_m\cdot sin(\omega\cdot t) d(\omega\cdot t)) =
= 12\cdot (1-\frac{\sqrt 3}{2}+\frac{\sqrt 3}{2}-\frac{1}{2}+\frac{1}{2})\cdot E_m = 12\cdot E_m.

Средняя ЭДС равна: Esr=\frac{12\cdot E_m}{2\cdot \pi}=\frac{6\cdot E_m}{\pi}=1,91 \cdot E_m=2,7 \cdot E_2eff\!, то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».

Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть 9\cdot r\,\!.

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Частота пульсаций равна 6\cdot f\,\!, где f\,\! — частота сети.
Абсолютная амплитуда пульсаций равна (2-\sqrt3)\cdot E_m=(2-1,73)\cdot E_m=0,27\cdot E_m.
Относительная амплитуда пульсаций равна 0,27/1,91=0,14 (14%)\!.

Этот выпрямитель имеет наибольшее эквивалентное внутреннее активное сопротивление и наибольшую среднюю ЭДС, по свойствам ближе к источнику напряжения и может найти применение в высоковольтных источниках напряжения (в установках электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр) и др.).

[править] Двенадцатипульсовый статический трёхфазный выпрямитель

Представляет собой параллельное (или иногда последовательное) включение двух выпрямителей Ларионова со сдвигом фаз входных трёхфазных токов. При этом вдвое увеличивается число выпрямленных полупериодов по сравнению с обычным выпрямителем Ларионова из-за чего уменьшается относительная амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения и вдвое увеличивается частота пульсаций выпрямленного напряжения, что также облегчает сглаживание выпрямленного напряжения.[4]

[править] Трёхфазные выпрямители "шесть мостов" (24 диода)

Шесть мостов.jpg
График ЭДС (зелёный) на выходе выпрямителя "шесть параллельных мостов".
Шесть мостов последовательно.jpg

Ещё менее известны трёхфазные выпрямители "шесть мостов параллельно" и "шесть мостов последовательно". Они состоят из двух трёхфазных трансформаторов. Первичные обмотки одного из них включаются звездой, другого - треугольником, что создаёт сдвиг фаз в 30°. Шесть вторичных обмоток подключаются к шести мостам (двадцать четыре диода). Мосты могут включаться разными способами, один из них - параллельное включение всех шести мостов. Из-за малых пульсаций выпрямитель по этой схеме соизмерим по массе стали и меди с выпрямителем "три параллельных моста" с дросселем фильтра, сглаживающим пульсации до такого же уровня. Эти выпрямители полномостовые. Они также как и выпрямитель "три параллельных моста" по многим параметрам превосходят и выпрямитель Миткевича и выпрямитель Ларионова. При этом требуются диоды со средним током через один диод почти вчетверо меньшим, чем в схеме Ларионова, и вдвое меньшим, чем в схеме "три параллельных полных моста". Эта схема позволяет построить выпрямитель большой мощности на элементах малой мощности.

Трёхфазный выпрямитель "шесть мостов последовательно" имеет наибольшее эквивалентное внутреннее активное сопротивление и может найти применение в источниках высокого напряжения большой мощности, например, в блоках питания промышленных установок электростатической очистки газов.

[править] См. также

[править] Ссылки

  1. http://www.yanviktor.ru/elektrotexnika/6_el_pribory/2.jpg Трёхфазная схема с выводом нуля трансформатора (предложена в 1901 году В.Ф.Миткевичем)
  2. http://www.yanviktor.ru/elektrotexnika/6_el_pribory/2.jpg Трёхфазная мостовая схема (предложена в 1924 году А.Н.Ларионовым, применяется и без трансформатора)
  3. http://www.yanviktor.ru/elektrotexnika/6_el_pribory/18.jpg Таблица 18. Трёхфазный ртутный выпрямитель
  4. http://www.css-rzd.ru/zdm/02-1999/8073.htm Преобразователь для подпитки сети тягового электроснабжения. Рис.3.
Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Участие
На других языках