При высоких требованиях к пульсациям более выгодными, по сравнению с однофазными, оказываются трехфазные схемы выпрямителей - однополупериодные и двухполупериодные. Однополупериодные трехфазные схемы выпрямления применяют при средних и больших мощностях и невысоких требованиях к пульсациям. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя состоит из трехфазного трансформатора и трех диодов (рисунок 1).
Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная трехфазного однополупериодного выпрямителя
Работа схемы поясняется эпюрами напряжений, представленными на рисунке 2.
Рисунок 2 - Эпюры напряжений, поясняющие работу трехфазного однополупериодного выпрямителя
Первичная обмотка трансформатора может соединяться звездой или треугольником, а вторичная только звездой с выведенной нулевой точкой. Катоды всех диодов соединены в общую точку, образующую положительный полюс на выходе выпрямителя. Отрицательным полюсом является нулевая точка вторичных обмоток трансформатора.
Рассмотрим принцип работы схемы трехфазного однополупериодного выпрямителя. В таком выпрямителе используются фазные напряжения. Из схемы, показанной на рисунке 1 и графиков, представленных на рисунке 2 видно, что токи через диоды будут протекать под действием наибольших положительных значений напряжений в одной из фаз. Например, начиная с момента времени t1 наибольшее положительное значение в фазе А. В этом случае диод VD1 открыт и под действием напряжения будет протекать ток по цепи: положительный полюс вторичной обмотки трансформатора фазы А, диод VD1, нагрузка Rн, нулевая точка.
Начиная с момента времени t2 наибольшее положительное значение напряжения в фазе В. В этом случае диод VD2 открыт и под действием напряжения будет протекать ток по цепи: положительный полюс вторичной обмотки трансформатора фазы В, диод VD2, нагрузка Rн, нулевая точка.
Начиная с момента времени t3 наибольшее положительное значение напряжения в фазе С. В этом случае диод VD3 открыт и под действием напряжения будет протекать ток по цепи: положительный полюс вторичной обмотки трансформатора фазы С, диод VD3, нагрузка Rн, нулевая точка и т. д.
Напряжение в нагрузке трёхвазного однополупериодного выпрямителя показано на нижнем графике рисунка 2. За период Т в каждой фазе будет протекать только один импульс тока, равный по длительности 2π/3, поэтому схему называют также трехфазной однотактной:
- число пульсаций р = 3;
- частота пульсаций fп = 3fс.
Ток в нагрузке будет равен сумме токов фаз.
Однополупериодные трехфазные схемы выпрямления имеют неплохие показатели. Применяют такие схемы при средних и больших мощностях (Р0 > 1 кВт) и невысоких требованиях к пульсациям.
Достоинства схем однополупериодных трехфазных выпрямителей:
- простота;
- высокая надежность;
- малые габариты.
Недостаток: наличие постоянного подмагничивания, которое вызывает насыщение сердечника, увеличивает ток холостого хода трансформатора и уменьшает КПД. Для уменьшения насыщения необходимо увеличивать сечение сердечника, что увеличивает его габариты и массу.
При высоких требованиях к пульсациям более выгодными оказываются усложненные трехфазные двухполупериодные схемы, например схема Ларионова, показанная на рисунке 3. Данная схема была разработана в 1924 г. и получила своё название в честь своего создателя – академика А.Н. Ларионова.
Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная (а), эпюры напряжений итоков в контрольных точках трехфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова)
Трехфазная мостовая схема Ларионова представляет собой два последовательно включенных трехфазных однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rн и питающихся от общих вторичных обмоток трехфазного трансформатора (u1, u2, u3). Первичные обмотки трансформатора Т могут быть включены треугольником или звездой, а вторичные – звездой. О возможности включения вторичных обмоток треугольником будет оговорено ниже. Вентили VD1, VD2, VD3 имеют общую точку у анодов и образуют анодную группу первой трехфазной секции (первый выпрямитель), а вентили VD4, VD5, VD6 – катодную группу второй трехфазной секции (второй выпрямитель).
Ток через вентили катодной группы протекает тогда, когда на обмотках трансформатора в точках а, в, с полуволна фазового напряжения положительна. Через вентили анодной группы ток протекает при отрицательной полуволне приложенных напряжений, причем в любой момент времени ток протекает только через два вентиля: один анодной группы и второй – катодной. Верхней огибающей фазовых напряжений соответствуют токи вентилей катодной группы iвв, а нижней огибающей – токи вентилей анодной группы iнн (рисунок 3, б). На этих же графиках показаны напряжения на нагрузке оттоков вентилей каждой группы (u′н и u″н). Временные зависимости тока и напряжения на нагрузке uн, iн построены в результате суммирования временных зависимостей обеих групп.
Проследим прохождение тока в различные моменты времени. Например, в момент времени t1 максимально положительное напряжение – в точке а (фазовое напряжение u1) и максимально отрицательное – в точке в (фазовое напряжение u2). Ток протекает от точки а через вентиль VD4 по сопротивлению нагрузки Rн, через вентиль VD2 к точке в и по обмоткам трансформатора от точки в к точке а. В момент времени t2, отстоящий от t1 на полпериода напряжения сети, напряжение u2 будет максимально положительное, a u1 – отрицательное. Ток протекает от точки в через вентиль на нагрузку Rн, вентиль VD1 – к точке а и по обмоткам трансформатора от точки а к точке в.
Ток вторичных обмоток трансформатора через половину периода сети меняет направление, поэтому подмагничивания трансформатора нет.
Среднее значение постоянных составляющих выпрямленного тока и напряжения будет определяться согласно выражениям:
Как видно из графиков напряжений на рисунке 3, частота пульсаций выпрямленного напряжения в 6 раз больше частоты сети fn = 6fс.
Обратное напряжение, прикладываемое к диоду: Uобр = Umл. = √3 Umф.
Число пульсаций за период выпрямленного напряжения p = 3 (m = 6), а частота пульсаций fn = 6fс.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (по шестой гармонике)
Коэффициент использования трансформатора Kuт = 0,957.
При выводе общей точки вторичных обмоток трансформатора (пунктирная линия на рисунке 3, а) можно получить два напряжения Uн/2. Если не ставится задача получения двух напряжений, вторичные обмотки трансформатора можно соединить треугольником. Первичные обмотки могут соединяться как треугольником, так и звездой.
Достоинства схемы:
- меньшие габариты и масса трансформатора по сравнению с другими выпрямителями, в том числе, рассмотренными выше, из-за лучшего использования обмоток трансформатора;
- возможность бестрансформаторного включения в сеть переменного тока;
- меньшее обратное напряжение на вентиле;
- возможность получения двух выходных напряжений;
- меньший коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения и удвоенная частота пульсаций по сравнению с трехфазной однополупериодной схемой.
Недостатки схемы:
- увеличенное количество (шесть) вентилей;
- невозможность заземлить вторичную обмотку трансформатора, если заземлён один из полюсов нагрузки.
Данные схемы нашли применение в блоках питания радиоэлектронной аппаратуры специальных радиотехнических систем. Вариант применения схемы выпрямителя Ларионова показан на рисунке 4.
Рисунок 4 - Вариант применения схемы Ларионова