Трехфазные выпрямители, принцип работы и характеристики (регулировочные, нагрузочные и энергетические).

Рассматриваются вопросы электромагнитного преобразования энергии в автономных источниках постоянного тока. Установлено, что при питании выпрямителя от автономного инвертора напряжения возможно эффективное использование звена постоянного тока, приближающееся к его «естественной» схеме включения.

Часто возникающей задачей в бортовых сетях мобильных объектов является изменение уровня питающего потребителей постоянного напряжения.

Эффективным способом изменения уровня напряжения постоянного тока является его трансформация инвертором напряжения с последующим выпрямлением (рис.1).

Вместе с тем, наиболее простые и надежные в эксплуатации трехфазные автономные трансформаторные инверторы напряжения с углом проводимости 180 эл. град формируют напряжение, форма которого отлична от синусоидальной. Работа выпрямителя при питании от автономного инвертора существенно зависит от соединения обмоток питающего трансформатора.

Примем для определенности, что первичная обмотка трансформатора, присоединяемая к автономному инвертору напряжения, соединена «звездой». Тогда для обоснования выбора рационального соединения вторичных обмоток трансформатора необходимо сопоставить условия проводимости вентилей мостового трехфазного выпрямителя при разных способах питания, а также возникающие при этом потери и выделяемую мощность преобразователя.

При соединении обмоток Y/Y и синусоидальном входном напряжении выпрямителя его выходное напряжение и ток, а также мгновенные токи фаз трансформатора, определяются проводимостью вентилей с наибольшей разностью потенциалов.

Так, на интервале ав (рис.2), длительностью π/3, формирование выходного напряжения и токов нагрузки и фаз трансформатора осуществляется за счет проводимости вентилей 1-4 (рис.3), а на интервале вс, также длительностью π/3 - вентилей 1 -6, и т.д.

Таким образом, в течение полупериода питающего напряжения каждый вентиль проводит ток на интервале 2π/3, т.е. 120 эл. град. и к нагрузке прикладывается линейное напряжение U_ав и U_ас соответственно. По вторичной обмотке трансформатора протекает ток, форма которого представлена на рис.4. При соединении обмоток трансформатора Y/∆ угол проводимости вентилей не меняется, но уменьшается выходное напряжение выпрямителя.

Таким образом, по отношению к вторичной обмотке питающего трансформатора выпрямитель является нелинейной нагрузкой, принудительным образом формирующей фазные токи.

В случае питания от автономного инвертора напряжения (АИН) и соединении обмоток трансформатора ∆/Y на его вторичной обмотке формируется импульсное напряжение длительностью 120 эл. град на полупериоде. В результате, последовательность включения и угол проводимости вентилей выпрямителя не меняется, по сравнению с ранее рассмотренным случаем питания от синусоидальной сети, и в фазах трансформатора протекает ток, форма которого приведена на (рис. 5).

В случае соединения обмоток трансформатора Y/Y и питании от автономного инвертора напряжения, на вторичной обмотке формируется ступенчатое напряжение (рис.6), существенно изменяющее условия включения вентилей выпрямителя. Действительно, на интервале ав помимо вентиля 4, имеющего наиболее низкий потенциал на катоде, проводить ток могут также вентили 1 и 5, имеющие одинаковые потенциалы на аноде. На интервале вс кроме вентиля 1 одновременно могут проводить ток вентили 4 и 6, а на интервале cd - одновременно с вентилем 6 могут проводить ток вентили 1 и 3.

Это приводит к тому, что при активной нагрузке форма фазного тока вторичной цепи трансформатора полностью повторяет форму напряжения (рис.7). Таким образом, по отношению к вторичной обмотке трансформатора выпрямитель уже не представляется нелинейной нагрузкой, обеспечивая протекание тока по фазным обмоткам выпрямителя на всем интервале существования вторичного напряжения трансформатора.

Выявленные особенности определяют характер распределения потерь в элементах преобразовательного устройства, который необходимо учитывать при его проектировании.

Примем в качестве эталона трехфазную мостовую схему выпрямления при синусоидальном питании, обозначая сопоставляемые величины способом питания (≈ - синусоидальное напряжение, # - дискретное напряжение от автономного инвертора напряжения) и схемой соединения вторичной обмотки трансформатора. Тогда, при нагрузке выпрямителя, равной 120 Ом:

Таким образом, приведенные энергетические характеристики преобразовательной установки постоянного тока, выполненной по схеме «источник постоянного напряжения - автономный инвертор напряжения - выпрямитель», свидетельствуют о целесообразности использования в рассматриваемом случае схемы соединения вторичных обмоток трансформатора «звездой», определяя достаточно высокие требования к качеству выполнения трансформатора, поскольку эффективное использование вторичного напряжения обусловливают необходимость сокращения потерь именно в этом элементе преобразователя.

Отмеченные особенности работы трехфазного выпрямителя в устройствах преобразования постоянного напряжения были исследованы на экспериментальной установке. Вид экспериментальной установки представлен на рис. 8.

Трехфазный трансформатор первичной обмоткой запитывался от автономного инвертора напряжений, а к вторичной обмотке подключался выпрямитель, собранный по трехфазной мостовой схеме (рис. 3).

АИН собран на шести транзисторах, работающих в ключевом режиме. Управление АИН осуществлялось от ЭВМ, что позволило достаточно точно фиксировать рабочие частоты инвертирования при проведении эксперимента. Сигнал от ЭВМ подавался на диодные оптопа-ры, с помощью которых осуществлялось управление транзисторными ключами. Питание АИН осуществлялось от источника постоянного напряжения 20 В.

Формы токов и напряжений измерялись при помощи АЦП, встроенного в L-card. При соединении обмоток трансформатора Y/Y и питании от автономного инвертора напряжения, на вторичной обмотке формируется ступенчатое напряжение (рис. 9), а при соединении обмоток трансформатора Y/∆ на его вторичной обмотке формируется импульсное напряжение (рис. 10).

Выводы

1. Проведенный анализ электромагнитного преобразования энергии в установках постоянного тока свидетельствует о целесообразности одинакового («симметричного» - Y/Y, ∆/∆) соединения обмоток трансформатора.

2. Энергетические характеристики преобразовательной установки постоянного тока определяют целесообразность использования соединения обмоток трансформатора типа Y/Y при преобразовании уровня напряжения постоянного тока.

3. При питании выпрямителя от автономного преобразователя напряжения нелинейность выпрямителя не оказывает существенного влияния на процессы электромагнитного преобразования энергии.