Исследование трехфазных выпрямителей: Методические указания к выполнению лабораторной работы № 2

Лабораторная работа №2

Исследование трехфазных выпрямителей

Цели работы:

1.  Изучение работы однотактного и двухтактного трехфазных выпрямителей при различном характере нагрузки.

2.  Исследование характеристик выпрямителей и сглаживающих электрических фильтров.

3.  Исследование влияния индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора на работу выпрямителя.

Краткие теоретические сведения

Трехфазные выпрямители равномерно (симметрично) нагружают силовую сеть, поэтому трехфазные выпрямители широко используются при сравнительно большой мощности,  требуемой для электропитания электронной и радиоаппаратуры, а также в мощных электротехнических устройствах как cоставная часть сложных (последовательных и параллельных) выпрямительных устройств. Однотактный выпрямитель (рис. 2.1, а) используется при сравнительно больших токах и низких выпрямленных напряжениях в тех случаях, когда по каким-либо причинам нельзя или неудобно применять более трех диодов. Выпрямитель характеризуется сравнительно низким использованием мощности трансформатора.

Временные диаграммы токов и напряжений для этой схемы (рис. 2.1, а) без учета влияния индуктивностей рассеяния L_S и активных сопротивлений обмоток трансформатора rт при резистивной нагрузке приведены на рис. 2.2. В такой  идеализированной схеме коммутация токов в диодах (и в фазных обмотках трансформатора) осуществляется мгновенно, т. е. в каждый момент времени ток пропускает только один вентиль из катодной группы V1, V2, V3 , а именно тот, напряжение на аноде которого наибольшее положительное. Время протекания тока каждого из диодов в силу симметрии схемы составляет 1/3 периода. Βыпрямленное напряжение uв и ток нагрузки iн имеют форму огибающей трехфазных ЭДС, и их параметры определяются следующими соотношениями:

U₀ = 0,83E_2m = 1,17U₂ ;  I₀ = 0,83 I_mV ;  I_0v = I₀ / 3 = 0,28 I_mV ;

    I₂ = 0,48 I_mV = 0,58I₀ ;  Uобр _m = E_mл  = 1,73 E_2m ≈ 2,1U₀ ;  kп₍₁₎ = 0,25.      (2.1)

Расчетная мощность вторичных обмоток трансформатора вычисляется по формулам

P_II = m₂U₂I₂ = 1,48P₀;             k₂ = P_II/P₀ = 1,48.                            (2.2)

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора без учета тока холостого хода вычисляется по формуле

                               _2π

I₁ = √ 1/2π ∫ i²₁(ωt)dωt = n 0,39I_mV = n 0,47I₀,                              (2.3)

                              ⁰

где n = w₂ / w₁ ≈ U₂/U₁ – коэффициент трансформации. Расчетная мощность первичных обм оток и габаритная мощность трансформатора составляет:

P_I = m₁U₁I₁ = 1,22P₀; Pгаб = (P_I + P_II)/2 = 1,35P₀.                        (2.4)

Коэффициент полезного действия выпрямителя определяется с учетом потерь в трансформаторе Pт , в выпрямительных диодах P_v и в сглаживающем фильтре Pф.

η = P₀/(P₀ + Pпот);    Pпот = Pт + P_v + Pф

Следует обратить внимание на то, что, как и для всех однотактных схем, из-за присутствия постоянной составляющей в токе вторичной обмотки P_II > P_I. Кроме того, в рассматриваемой простой схеме выпрямления возникает явление вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, сопровождающееся возрастанием потерь в магнитопроводе и, соответственно, – тока в первичной обмотке трансформатора I₁ . Искажение тока первичных обмоток трансформатора приводит к снижению полного коэффициента мощности выпрямителя  χ = (P_1a / P₁) cos φ₁ = ν₁₍₁₎cos φ₁, где ν₁₍₁₎ = I₁₍₁₎ / I₁ – коэффициент искажения тока.

Поскольку коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в рассматриваемой схеме выпрямителя без сглаживающего фильтра в большинстве случаев недопустим для нормальной работы потребителя, то интересно рассмотреть влияние сглаживающего фильтра (L-фильтра (рис. 2.3, а) или особенно часто используемого для питания радиоэлектронной аппаратуры LC-фильтра). Влияние индуктивного фильтра приводит к сглаживанию формы импульсов тока диодов (они становятся практически прямоугольными) (см. рис. 2.2), а ток нагрузки становится постоянным. При этом энергетические показатели выпрямителя хотя и повышаются, но мало отличаются от соответствующих показателей выпрямителя, работающего на резистивную нагрузку.

Коэффициенты сглаживания пульсаций L- и LC-фильтров определяются через параметры элементов фильтров следующими соотношениями:

Sп_L = kп.вх/kп.вых= |1 + jmωL/Rн| ≈ mωL/Rн; Sп_LC  = m²ω²LC– 1.            (2.5)

Полученные выводы справедливы при индуктивности дросселя Lдр >> Lкрит и сопротивлении конденсатора |ХС| << Rн , а значит, при выполнения следующего условия: амплитуда тока первой гармоники выпрямленного тока I_m~ = E_m~ / mωLдр значительно меньше его постоянной составляющей I₀, что обеспечивает непрерывность выпрямленного тока 

Lдр >> Lкрит = 2U₀ / (m² – 1)mωI₀ .                                     (2.6)

При невыполнении условия (2.6), например при уменьшении тока нагрузки до I₀ < I₀кр , энергии, накопленной в магнитном поле дросселя, W_L = LI²₀ / 2, становится недостаточно для поддержания постоянным тока в дросселе и ток становится прерывистым, что соответствует емкостному характеру нагрузки.