Задача 2. Для питания относительно мощных потребителей постоянного тока, таких как гальванические установки, зарядные устройства аккумуляторов и т.п.

Для питания относительно мощных потребителей постоянного тока, таких как гальванические установки, зарядные устройства аккумуляторов и т.п., используют трехфазные схемы выпрямления переменного тока. Одной из таких схем является показанная на рисунке 10 однополупериодная схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом трансформатора. В такой схеме выводы фаз вторичной обмотки трансформатора соединяются звездой, а первичной - могут быть соединены или звездой, как показано на рисунке 10, или треугольником.

Рисунок 10 - Однополупериодная схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом

На рисунке 10 обозначены:

U_AB - вектор линейного напряжение в первичной обмотке трансформатора;

U_a, U_b, U_c - векторы фазных напряжений на вторичной обмотки трансформатора;

Д1, Д2, Д3 - полупроводниковые диоды;

I _Д1, I _Д2, I _Д3 - векторы токов, протекающих через диоды;

R_н - сопротивление нагрузки;

U_н - вектор выпрямленного напряжения на нагрузке.

Напряжение на выходе выпрямителя оказыва­ется не постоянным, а пульсирующим. Глубину пульсаций можно определить из следующих соображений. Известно, что напряжения в фазах сдвинуты между собой на 120⁰. Соответственно, точки пересечения кривых фазных напряжений соответствуют углам 30⁰ , 150⁰ , 270⁰. Но sin30⁰ = 1/2, следовательно, пульсации выпрямленного напряжения, равны, примерно, половине максимального значения напряжения на нагрузке.

Обратное напряжение U_1обр на диоде Д₁ в интервале времени от t₁ до t₂ может быть определено по второму закону Кирхгофа (17) для контура o-k-n-p-o с учетом того, что падение напряжения на открытом диоде Д₂ в рассматриваемом уравнении можно приближенно считать равным нулю из векторного уравнения:

U_1обр= U_b -U_a= U_ab(28)

Следовательно, обратное напряжение равно линейному напряжению U_ab вторичной обмотки трансформатора. На интервале времени от t₂ до t₃ обратное напряжение U_1обр найдем, рассмотрев контур o-k-n-m-o

U_1обр= U_a -U_c= U_aс(29)

Следовательно, и в этом случае обратное напряжение равно линейному напряжению U_aс вторичной обмотке трансформатора. Соответственно максимальное значение обратного напряжения на диоде Д₁ - U_1обр.m. равно максимальному значению линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

При выборе диодов для конкретных условий их работы исходят из двух требований:

- допустимый ток I_доп (т.е. максимальный выпрямленный ток, проходящий через диод) должен быть больше или в крайнем случае равен наибольшему току диода i_dm, который протекает через него при работе схемы выпрямления:

i_dm ≤ I_доп (30)

где i_dm - амплитуда тока, протекающего через диод;

- допустимое обратное напряжение U_обр.max.(максимальное обратное напряжение, которое выдерживает полупроводниковый диод без пробоя в непроводящий период) должен быть больше или в крайнем случае равен максимальному значению обратного напряжения, которое получается на диоде при работе схемы выпрямления.

U_обр.m. ≤ U_обр.max. (31)

По условию задачи задана постоянная составляющая (среднее значение) напряжения на нагрузке U_но. Эта величина связана с амплитудным значением фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора U_2m соотношением:

Поэтому максимальное значение обратного напряжения на диоде

(32)

Максимальное значение выпрямленного тока, проходящего через диод

(33)

По найденным значениям i_dm и U_обрm из таблицы приложения 1 выбирается тип диода. В контрольной работе нужно указать электрические параметры выбранного диода.

Коэффициент трансформации трансформатора - это отношение линейных (или фазных) напряжений первичной и вторичной обмоток

(34)

В трехфазных сетях под напряжением питающей сети понимается линейное напряжение, оно в раз больше фазного

(35)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора в раз меньше амплитудного

(36)

Поэтому коэффициент трансформации можно определить следующим образом

(37)

Трансформатор, используемый в выпрямительной установке, характеризуют расчетной мощностью.

Нельзя путать ток в нагрузке с током во вторичной обмотки трансформатора и с током диода. Ток в нагрузке протекает непрерывно, а во вторичной обмотке трансформатора только в течение 1/3 части периода, а в остальную часть периода он равен нулю. Действующее значение тока фазы вторичной обмотки трансформатора I = 0,587 I_н, но ток в фазе первичной обмотки трансформатора не будет отличаться от него на коэффициент трансформации.

Дело в том, что ток вторичной обмотки содержит постоянную составляющую, а по закону электромагнитной индукции трансформироваться может только переменная составляющая тока.

Условия работы сердечника трансформатора, питающего выпрямитель, достаточно сложные. В результате подмагничивания сердечника постоянной составляющей тока колебания магнитного потока практически всегда выходят на насыщенную часть кривой намагничивания. Это вызывает появление пиков в кривой намагничивающего тока, и, следовательно, в кривой первичного тока. За счет увеличения мощности потерь сердечник будет перегреваться. Для уменьшения потерь приходится увеличивать сечение сердечника, что эквивалентно увеличению мощности трансформатора.

Для схемы выпрямления, показанной на рис.10, расчетная мощность трансформатора, равна:

(38)

Это значит, что трансформатор мог бы в условиях нагрузки синусоидальным током преобразовывать на 37 % большую мощность по сравнению с выпрямленной мощностью на выходе выпрямителя.

В других схемах выпрямления это недоиспользование мощности трансформатора доходит до 300 - 400 %.