Třífázový usměrňovač

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 30. dubna 2016; kontroly vyžadují 23 úprav .

Třífázový usměrňovač  - zařízení používané k získávání stejnosměrného proudu z třífázového střídavého proudu systému Dolivo-Dobrovolsky .

Historie a klasifikace

Nejběžnější jsou třífázový usměrňovač podle schématu Mitkevich V.F. (na třech diodách ), jím navržený v roce 1901 [1] , a třífázový usměrňovač podle schématu Larionova A.N. (na šesti diodách), navržený ho v roce 1924 [2] [3] . V roce 1923 je také podán US patent US1610837 A pro třífázové usměrňovače.

Méně známé jsou třífázové usměrňovače podle schémat „tři paralelní můstky“ (na dvanácti diodách), „tři sériové můstky“ (na dvanácti diodách) atd., které v mnoha ohledech předčí jak schéma Mitkevich, tak schéma Larionov . To vyžaduje diody s průměrným proudem procházejícím jednou diodou téměř polovičním než v Larionově obvodu.

Mitkevichův usměrňovač je čtvrtmůstková rovnoběžka, Larionovův usměrňovač není úplný můstek, jak se často soudí, ale polomůstková rovnoběžka („tři rovnoběžné poloviční můstky“). V závislosti na spínacím obvodu třífázového transformátoru nebo třífázového generátoru (hvězda, trojúhelník) má obvod Larionov dvě varianty: „hvězda-Larionov“ a „trojúhelník-Larionov“, které mají různá napětí, proudy, vnitřní odpory.

Z diagramů je vidět, že Mitkevichův obvod je neúplný Larionovův obvod a Larionovův obvod je neúplný obvod „tři paralelní můstky“.

Vzhledem k principu reverzibility elektrických strojů jsou měniče ( měniče ) stavěny podle stejných schémat .

Třífázový usměrňovač "tři čtvrtiny můstku paralelně" ( Mitkevich VF )

Schéma třífázového rtuťového usměrňovače podle Mitkevichova schématu je uvedeno v [4] .

"Částečně tři půlvlny s nulovým výstupem." Plocha pod integrální křivkou je:

kde  je maximální (největší) okamžitá hodnota EMF ,  - efektivní (efektivní) hodnota EMF sekundárního vinutí transformátoru nebo generátoru.

Průměrný EMF je:

Při volnoběhu a v jeho blízkosti se EMF ve větvi s největším EMF v daném segmentu periody EMF posouvá směrem k blokování (zavře) diody ve větvi s nejmenším EMF v tomto segmentu periody. Relativní ekvivalentní činný odpor je v tomto případě roven odporu jedné větve 3 r . S nárůstem zátěže (pokles R n ) se objevují a přibývají úseky periody, ve kterých obě větve pracují paralelně na stejné zátěži. Relativní ekvivalentní vnitřní aktivní odpor na těchto segmentech je roven 3 r /2. V režimu zkratu jsou tyto segmenty maximální, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový.

Negativní půlcykly se v Mitkevichově usměrňovači nepoužívají. Z tohoto důvodu má Mitkevichův usměrňovač velmi nízký koeficient využití celkového výkonu transformátoru a používá se při nízkých výkonech.

Frekvence zvlnění je 3 f , kde f  je frekvence sítě.

Absolutní amplituda pulsací je .

Relativní amplituda pulsací je 0,5/0,83 = 0,6 (60 %).

Tři rozdělené poloviční můstky paralelně (tři "zdvojnásobení napětí" paralelně)

Třífázový usměrňovač "tři polomůstky paralelně, spojené prstencem (trojúhelníkem)" (" Larionovův trojúhelník ")

V některé elektrotechnické literatuře někdy nerozlišují mezi obvody „trojúhelník-Larionov“ a „hvězda-Larionov“, které mají různé hodnoty průměrného usměrněného napětí, maximálního proudu, ekvivalentního aktivního vnitřního odporu atd.

V usměrňovači "trojúhelník-Larionov" jsou ztráty v mědi větší než v usměrňovači "hvězda-Larionov", proto se v praxi častěji používá schéma "hvězda-Larionov".

Kromě toho se usměrňovače A. N. Larionova často nazývají můstkové usměrňovače, ve skutečnosti jsou to paralelní polomůstky.

V některé literatuře se Larionovovým usměrňovačům a jim podobným říká "full-wave" ( angl.  full wave ), ve skutečnosti jsou "tři sériové můstky" usměrňovače a podobně celovlnné.

Plocha pod integrální křivkou je:

Průměrný EMF je:

tedy více než v usměrňovači Mitkevich.

V práci schématu "trojúhelník-Larionov" jsou dvě období. Dlouhá perioda je 360° ( ). Malá perioda se rovná 60° ( ) a uvnitř velké periody se opakuje 6krát. Malá perioda se skládá ze dvou malých půlcyklů po 30° ( ), které jsou zrcadlově symetrické a proto stačí analyzovat činnost obvodu na jednom malém půlcyklu 30°.

Při nečinnosti a v režimech jemu blízkých EMF ve větvi s největším EMF v daném segmentu období zpětně posune (zavře) diody s menšími EMF v daném segmentu období.

V počátečním okamžiku ( ) je EMF v jedné z větví rovna nule a EMF v ostatních dvou větvích je rovna , zatímco dvě horní diody a jedna spodní dioda jsou otevřené. Ekvivalentní obvod se skládá ze dvou paralelních větví se stejným EMF (0,87) a stejnými odpory každé 3 r , ekvivalentní odpor obou větví je 3 r /2. Dále, v malém půlcyklu jeden ze dvou EMF rovný 0,87 vzroste na 1,0, druhý se sníží na 0,5 a třetí vzroste z 0,0 na 0,5. Jedna ze dvou otevřených horních diod se uzavře a ekvivalentní obvod se stane paralelním zapojením dvou větví, z nichž v jedné je velký EMF a jeho odpor je 3 r , ve druhé větvi jsou zapojeny dva menší EMF v sérii, a jeho odpor je 2 × 3 r \u003d 6 r , ekvivalentní odpor obou větví je

Frekvence zvlnění je 6 f , kde f  je frekvence sítě.

Absolutní amplituda pulsací se rovná:

Relativní amplituda pulsací je 0,13/0,95 = 0,14 (14 %).

Třífázový usměrňovač "tři poloviční můstky paralelně, spojené hvězdou" (Star- Larionov )

Star-Larionovův usměrňovač (šestipulzní) se používá v napájecích generátorech palubní sítě téměř ve všech dopravních prostředcích (traktor, voda, podvodní, vzduch atd.). V elektrickém pohonu dieselelektrických lokomotiv a dieselelektrických lodí prochází téměř veškerý výkon přes hvězdicový usměrňovač Larionov.

Plocha pod integrální křivkou je:

.

Průměrná EMF se rovná:, tedy krát více než v obvodech "trojúhelník-Larionov" a "tři paralelní plné můstky" a dvakrát tolik než v obvodu Mitkevich.

Tento usměrňovač má dlouhou periodu 360° a krátkou periodu 60°. Ve velkém období je 6 malých období. Malá perioda 60° se skládá ze dvou zrcadlově symetrických částí po 30°, proto pro popis činnosti tohoto obvodu stačí analyzovat jeho činnost na jedné části 30° malé periody. Na začátku malého období ( ) je EMF v jedné z větví - fáze U1 nula a ve zbývajících dvou fázích U2 a U3 - každá 0,87 × Emax. Tyto dvě fáze U2 a U3 jsou zapojeny do série v daném počátečním čase . V tomto případě je ekvivalentní vnitřní aktivní odpor roven . Dále se jedna z EMF fáze U2 zvyšuje z 0,87 na 1,0, druhá U3 se snižuje z 0,87 na 0,5 a třetí fáze U1 roste z 0,0 na 0,5. - kde a protíná na grafu v bodě 0,5Emax s fází U3 - viz obrázek vizuální změny fází na odkazu https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5d/Spannungsverlauf_Dreiphasen-Wechselstrom. gif Ekvivalentní obvod se mění a představuje dvě sériově zapojené větve, v jedné z nich je jeden EMF a jeho odpor roven odporu jednoho vinutí 3 r , v dalších dvou EMF zapojených paralelně s odporem každé 3 r , ekvivalentní odpor dvou paralelních větví je 3 r / 2. Ekvivalentní aktivní vnitřní odpor celého obvodu je 3 r /2 + 3 r \u003d 9 r /2 \u003d 4,5 r . V režimech blízkých volnoběhu (při nízké zátěži), v paralelních větvích, EMF ve větvi s větším EMF zpětně předpětí (uzavře) diodu ve větvi s nižším EMF, zatímco ekvivalentní obvod se změní. S nárůstem zátěže se objevují a zvyšují segmenty periody, ve kterých obě větve pracují na zátěži paralelně. V režimu zkratu se segmenty paralelního provozu zvětšují na délku celé periody, ale užitečný výkon v tomto režimu je nulový.

Frekvence zvlnění je 6 f , kde f  je frekvence sítě.

Absolutní amplituda pulsací je .

Relativní amplituda pulsací je 0,23/1,65 = 0,14 (14 %).

Třífázový usměrňovač "tři dvoufázové dvoučtvrteční paralelní Mitkevichovy usměrňovače paralelně" (6 diod)

V literatuře se někdy nazývá „šestifázový“ (viz stránka německé Wikipedie de:Gleichrichter#Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator).

Je to téměř obdoba usměrňovače "tři plné můstky paralelně" a má téměř stejné vlastnosti jako usměrňovač "tři plné můstky paralelně", ale ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je téměř dvakrát větší, počet diod je poloviční stejně tak je průměrný proud jednou diodou téměř dvakrát větší.

Plocha pod integrální křivkou je:

.

Průměrné EMF se rovná:, tedy stejné jako ve schématu „trojúhelník-Larionov“ a jednou méně než ve schématu „hvězda-Larionov“.

Třífázový usměrňovač "tři dvoufázové dvoučtvrteční můstky paralelní Mitkevichovy usměrňovače v sérii" (6 diod)

Je téměř analogický usměrňovači „tři plné můstky v sérii“ a má téměř stejné vlastnosti, ale ekvivalentní vnitřní aktivní odpor je téměř dvojnásobný, počet diod je poloviční, průměrný proud jednou diodou je téměř dvakrát tolik.

Třífázový usměrňovač "tři plné můstky paralelně" (12 diod)

Méně známé jsou celomůstkové třífázové usměrňovače podle schématu „tří sériových můstků“ (na dvanácti diodách) atd., které v mnoha ohledech předčí usměrňovač Larionova A.N. „Usměrňovač A. N. Larionova a usměrňovač A. N. "nedokončený" usměrňovač "tři paralelní můstky".

Plocha pod integrální křivkou je:

.

Průměrné EMF se rovná:, tedy stejné jako ve schématu „trojúhelník-Larionov“ a jednou méně než ve schématu „hvězda-Larionov“.

V klidovém režimu EMF v můstku s největším EMF na daném segmentu dlouhé periody zpětně posune (uzavře) diody v můstcích s menšími EMF na daném segmentu dlouhé periody. V tomto případě je ekvivalentní vnitřní aktivní odpor roven aktivnímu odporu jednoho můstku (jednoho vinutí) 3 r . S nárůstem zatížení (pokles R n ) se objevují a rostou segmenty periody, ve kterých dva mosty pracují na zatížení paralelně, ekvivalentní vnitřní aktivní odpor v těchto segmentech periody je roven odporu dvou paralelních mostů 3 r /2 = 1,5 r . S dalším nárůstem zatížení se objevují a přibývají úseky periody, ve kterých všechny tři mosty pracují na zátěži paralelně, ekvivalentní vnitřní činný odpor v těchto úsecích periody je roven odporu tří paralelních mostů r . V režimu zkratu jsou zatíženy všechny tři paralelní můstky, ale čistý výkon v tomto režimu je nulový. Z toho vyplývá, že s přihlédnutím k rozdílu hodnot EMF ​​( ) je ekvivalentní vnitřní aktivní odpor (a ztráty v mědi) usměrňovače „tři paralelní můstky“ menší než u usměrňovače „star-Larionov“. Vzhledem k nižšímu ekvivalentnímu vnitřnímu odporu v usměrňovači "tři paralelní plné můstky" jsou zatěžovací charakteristiky těchto dvou usměrňovačů odlišné.

Usměrňovač "tři paralelní můstky" je spolehlivější než usměrňovač "star-Larionov". Když 5/6 diod praskne (vyhoří), usměrňovač hvězda-Larionov přestane fungovat úplně a usměrňovač se třemi paralelními můstky, v případě zbývajících diod v opačných ramenech jednoho můstku, dává stále asi 1/6 plného výkon, který může před opravou „vydržet“. V usměrňovači "tři paralelní plné můstky" je průměrný proud jednou diodou téměř poloviční než v usměrňovači "hvězda-Larionov" a takové diody jsou levnější a dostupnější.

Nedostatky
  1. Při velmi nízkých zatěžovacích proudech se ekvivalentní vnitřní aktivní odpor téměř rovná aktivnímu odporu jednoho vinutí, to znamená více než u usměrňovače trojúhelník-Larionov.

Odstraňte nedostatek. Při velmi nízkých zatěžovacích proudech lze obvod "tři paralelní můstky" přepnout na obvod "trojúhelník-Larionov" spínačem se třemi skupinami uzavíracích kontaktů.

  1. Díky čtyřvodičové třífázové síti může usměrňovač "tři paralelní můstky" pracovat pouze v blízkosti transformátoru, Larionovův usměrňovač - ve vzdálenosti od transformátoru.

Odstraňte nedostatek. Elektroinstalace šestivodičového elektrického vedení.

Svými vlastnostmi se tento usměrňovač blíží proudovým zdrojům a může nahradit usměrňovače „hvězda-Larionov“ a „trojúhelník-Larionov“ téměř ve všech zařízeních ( elektrický pohon dieselových lokomotiv , motorových lodí , jaderných lodí , válcoven, vrtné soupravy, napájecí zdroje pro výkonné elektrolyzéry , výkonné rádiové vysílače , vysoce výkonné radary , výkonné lasery , stejnosměrná elektrická vozidla, generátory palubní sítě autotraktorů a další zařízení a v dalších zařízeních), přičemž zahřívání vinutí se sníží a ušetří se asi 4 % elektrické energie ( paliva ).

Frekvence zvlnění je 6 f , kde f  je frekvence sítě.

Absolutní amplituda pulsací je .

Relativní amplituda pulsací je 0,13/0,95 = 0,14 (14 %).

Třífázový usměrňovač "tři plné můstky v sérii" (12 diod)

Plocha pod integrální křivkou je:

Průměrné EMF se rovná:, tedy dvakrát tolik než ve schématu "trojúhelník-Larionov".

Relativní ekvivalentní vnitřní aktivní odpor se rovná odporu tří můstků zapojených do série s odporem každého 3 r , tj. 9 r .

Proud v zátěži je ????

Výkon v zátěži je ????

Frekvence zvlnění je 6 f , kde f  je frekvence sítě.

Absolutní amplituda pulsací je .

Relativní amplituda pulsací je 0,27/1,91 = 0,14 (14 %).

Tento usměrňovač má nejvyšší ekvivalentní vnitřní aktivní odpor a nejvyšší průměrné EMF, svými vlastnostmi se blíží zdroji napětí a lze jej použít ve zdrojích vysokého napětí (v instalacích pro elektrostatické čištění průmyslových plynů ( elektrostatický filtr ) atd.) .

Dvanáctipulzní statický třífázový usměrňovač

Jde o paralelní (nebo někdy sériové) zapojení dvou Larionovových usměrňovačů s fázovým posunem vstupních třífázových proudů. Zároveň se zdvojnásobí počet usměrněných půlcyklů oproti klasickému Larionovovu usměrňovači, díky čemuž se zmenšuje relativní amplituda zvlnění usměrněného napětí a zdvojnásobuje se frekvence usměrněného zvlnění napětí, což také usnadňuje vyhlazení usměrněného napětí. . [5]

Průměrné výstupní EMF usměrňovače Larionovových paralelních můstků s fázovým posunem napájecích napětí

kde  je amplituda napětí mezi body připojení fáze ke vstupům jednoho z usměrňovačů.

Sériové zapojení Larionovových usměrňovačů s fázovým posunem 30 stupňů (jeden usměrňovač je napájen z "hvězdy, druhý z "trojúhelníku") poskytuje průměrnou konstantní EMF

kde  je amplituda napětí mezi body připojení fáze ke vstupům jednoho z usměrňovačů. Amplituda pulzace je asi 3,44 % průměrného usměrněného EMF.

Třífázové usměrňovače "šest můstek" (24 diod)

Ještě méně známé jsou třífázové usměrňovače "šest můstků paralelně" a "šest můstků v sérii". Skládají se ze dvou třífázových transformátorů. Primární vinutí jednoho z nich je zapnuto hvězdou, druhé trojúhelníkem, čímž vzniká fázový posun o 30°. Šest sekundárních vinutí je připojeno k šesti můstkům (dvacet čtyři diod). Mosty lze zapínat různými způsoby, jedním z nich je paralelní zapojení všech šesti můstků. Díky malým zvlněním je usměrňovač podle tohoto schématu z hlediska hmotnosti oceli a mědi srovnatelný s usměrňovačem „tři paralelní můstky“ s filtrační tlumivkou, která zvlnění vyhlazuje na stejnou úroveň. Tyto usměrňovače jsou plné můstky. Stejně jako usměrňovač "tři paralelní můstky" jsou v mnoha ohledech lepší než Mitkevichův usměrňovač a Larionovův usměrňovač. To vyžaduje diody s průměrným proudem procházejícím jednou diodou téměř čtyřikrát menším než v Larionově obvodu a o polovinu méně než v obvodu „tři paralelní plné můstky“. Toto schéma umožňuje postavit usměrňovač s vysokým výkonem na prvcích s nízkým výkonem.

Průměrné EMF na výstupu usměrňovače "šest můstků paralelně"

.

Třífázový šestimůstkový sériový usměrňovač má nejvyšší ekvivalentní vnitřní aktivní odpor a lze jej použít ve vysokonapěťových zdrojích vysokého výkonu, například v napájecích zdrojích pro průmyslové elektrostatické úpravny plynů.

Průměrné EMF na výstupu usměrňovače "šest můstků v sérii"

.

To je dvojnásobek množství „tří můstků v sérii“.

Aplikace

Viz také

Poznámky

  1. Třífázový obvod s nulovým výstupem transformátoru (navržen v roce 1901 V.F. Mitkevichem) Archivní kopie ze dne 21. září 2016 na Wayback Machine  (nepřístupný odkaz) Získáno 6. června 2016.
  2. Třífázový můstkový obvod (navržen v roce 1924 A. N. Larionovem, používán bez transformátoru) Archivovaná kopie z 21. září 2016 na Wayback Machine  (nepřístupný odkaz) Staženo 6. června 2016.
  3. Shustov M.A. Historie elektřiny. - M., Berlín: Direct-Media, 2019. - 568 s. — ISBN 978-5-4475-9841-9 .
  4. Tabulka 18. Třífázový rtuťový usměrňovač Archivováno 21. září 2016 na Wayback Machine  (odkaz není k dispozici) Získáno 6. června 2016.
  5. Měnič pro napájení trakční napájecí sítě. Obr.3.  (nedostupný odkaz)

Literatura

Odkazy