Zasada działania i schemat trójfazowego prostownika mostkowego

Użytkownicy obwodów mocy 380 V w gospodarstwie domowym potrzebują pasywnego (niekontrolowanego) prostownika trójfazowego. Znajomość niektórych cech urządzenia elektronicznego i istniejących obwodów prostowniczych okaże się bardzo pomocna. Pomoże to właścicielowi sprzętu energetycznego obsługiwać go bardziej kompetentnie i wydajnie przez długi czas.

Opis prostownika

Główna różnica między urządzeniami a ich jednofazowymi odpowiednikami jest następująca:

• pierwsze są instalowane na liniach 220 woltów i służą do uzyskiwania stałych prądów o nieznacznej wielkości (do 50 amperów);
• prostowniki trójfazowe stosowane są w obwodach, w których prądy robocze (prostowane) znacznie przekraczają ten wskaźnik i sięgają kilkuset amperów.
• w porównaniu z próbkami jednofazowymi urządzenia te mają bardziej złożoną strukturę.

Znane obwody prostownicze napięcia trójfazowego, pozwalające uzyskać minimalny poziom tętnień na wyjściu.

W elektrotechnice nazywa się je „trójfazowymi mostkami prostowniczymi”, ponieważ przy okazji otwierania diod sterowanych biegunowością napięcia przypominają jednokierunkowy most nad rzeką. Jedynie kierunek przepływu elektronów w nich zmienia się z częstotliwością 50 Hz, która jest niedostępna dla samochodów przejeżdżających naprzemiennie w każdą stronę.

Zasada działania

Zasada działania dowolnego sinusoidalnego konwertera napięcia opiera się na właściwościach prostownika specjalnego elementu półprzewodnikowego - diody germanowej lub krzemowej. Gdy przepływa przez niego prąd przemienny, dodatnia półfala swobodnie „przechodzi” przez działające złącze elektroniczne, przesunięte w kierunku do przodu. Pod wpływem ujemnej półfali elektrony napotykają przeszkodę w postaci bariery potencjału, tak że prąd nie może przepływać przez złącze.

W najprostszych obwodach przełączających stosuje się niepełny cykl przetwarzania zmiennych poziomów, ponieważ druga półfala zostaje bezpowrotnie utracona. To znacznie zmniejsza moc kabrioletu. Aby zachować użyteczny element, opracowano 2-pełnofalowe obwody prostownicze, w których liczba diod została zwiększona do dwóch.

„Obwód pełnego cyklu” może zawierać 4 elementy prostownika, ale jest to obwód mostkowy.

Prostownik wielofazowy półfalowy

Na początku wygodniej jest rozważyć trójfazowe prostowniki półfalowe, które są proste w produkcji, stosowane w prostych i niedrogich obwodach przekształtnikowych. Podczas ich budowania w każdej z faz instalowana jest jedna potężna dioda, obsługująca tylko tę gałąź.

W sumie próbka prostownika półfalowego wykorzystuje trzy diody półprzewodnikowe z podłączonymi do nich obciążeniami. Po przestudiowaniu wykresów napięć i prądów uzyskanych na wyjściu obwodu elektrycznego można wyciągnąć następujące wnioski:

• sprawność (sprawność) takiego urządzenia jest bardzo niska;
• moc użyteczna jest tracona podczas przetwarzania ujemnych półfal wszystkich trzech faz;
• podczas korzystania z takich urządzeń bardzo trudno jest uzyskać wymaganą charakterystykę obciążenia.

Wszystkie te wady obwodów półfalowych zmusiły programistów do ich skomplikowania poprzez zastosowanie zasady podwójnej konwersji równoległej.

Prostownik pełnookresowy

Niektóre próbki urządzeń elektroenergetycznych działają tylko przy dużej ilości wyprostowanego prądu płynącego w obciążeniu. Prostowniki półfalowe nie mogą tego zapewnić, co tłumaczy się znacznymi stratami w nich. Aby zwiększyć obciążalność w obwodach prądu trójfazowego, coraz częściej stosuje się prostowniki pełnookresowe, zawierające po dwie diody na każdą fazę.

Klasyczne włączenie w tym przypadku odbywa się zgodnie ze schematem Larionowa, na którego cześć nazwano sam prostownik.

Analiza schematów działania takiego prostownika wyraźnie pokazuje jego niepodważalne zalety. Podczas pracy tych obwodów wykorzystywane są zarówno dodatnie, jak i ujemne półfale, co podnosi sprawność całego przetwornika. Wyjaśnia to fakt, że trójfazowa struktura obwodu wraz z prostowaniem pełnofalowym zapewnia sześciokrotny wzrost częstotliwości tętnień. Dzięki temu amplituda sygnału na wyjściu po kondensatorach wygładzających znacznie wzrasta (w porównaniu z prostownikiem półfalowym), a moc dostarczana do obciążenia wzrasta.

Urządzenia mostowe

„Trójfazowy obwód prostownika mostkowego” może dodatkowo poprawić wydajność konwersji napięcia przemiennego na napięcie stałe. Wygodniej jest przedstawić tę metodę włączania w postaci kombinacji dwóch obwodów półfalowych z punktem zerowym, w których nieparzyste diody tworzą grupę katodową, a nawet diody tworzą ich unię anodową. W trójfazowym obwodzie mostkowym dwie gałęzie do przetwarzania półfal o różnej polaryzacji są faktycznie połączone w jeden system.

Zasadę działania trójfazowego prostownika mostkowego najłatwiej wyobrazić sobie w następujący sposób:

• gdy na jego wejściu działa potencjał przemienny, dla każdej półfali dwie z czterech diod okazują się otwarte, połączone jak w lustrze;
• w pierwszym przypadku prostowana jest dodatnia półfala napięcia wejściowego, aw drugim ujemna;
• W rezultacie na wyjściu takiego obwodu poprzecznego plus zawsze działa na jeden biegun mostka, a minus na drugi.

Zarówno w trójfazowych mostkach prostowniczych, jak iw obwodach pełnofalowych na złączach diod, część napięcia wejściowego jest tracona (na każdej diodzie - nie więcej niż 0,6 V).

Całkowita strata na cykl (dodatnia i ujemna) w trójfazowym mostku wyniesie zatem 1,2 V. Projektanci urządzeń prostownikowych zawsze biorą pod uwagę te straty i wstępnie ustawiają nieco zawyżone parametry wejściowe, aby uzyskać wymaganą moc wyjściową.

Diagramy lub wykresy napięcia mostka są najlepszym potwierdzeniem, że taki sposób podłączenia diod do obwodu prostownika zapewnia maksymalny transfer energii. Jednocześnie małe straty napięcia na złączach można najczęściej skompensować dzięki lepszej filtracji w obwodach wtórnych.

Cechy mostu trójfazowego i możliwości jego budowy

Obwody trójfazowego mostka prostownikowego posiadają opcje poprawy parametrów urządzenia. Można je ulepszyć, wprowadzając dodatkowe elementy zaworowe. Wyposażone są w 6, 9 lub nawet 12 diod prostownikowych, połączonych według schematu „gwiazda” lub „trójkąt”.

Im więcej faz (lub par diod) jest użytych w obwodzie prostownika, tym mniejsze tętnienie napięcia wyjściowego.

Jako przykład rozważ urządzenie z 12 diodami prostownikowymi. Jedna z grup w ilości 6 sztuk jest w tym przypadku zawarta zgodnie ze schematem „gwiazdy” ze wspólnym punktem zerowym, a druga - w trójkąt (bez podłoża). Biorąc pod uwagę fakt, że prostowniki są połączone szeregowo, potencjały na wyjściu układu są sumowane, a częstotliwość tętnień w obciążeniu okazuje się 12 razy większa niż wartość sieci (50 Hz). Po przefiltrowaniu napięcie dostarczane do odbiorcy charakteryzuje się wyższą jakością.

Porównanie urządzeń jednofazowych i trójfazowych

Porównując trójfazowe obwody prostownicze z jednofazowymi analogami, należy zwrócić uwagę na następujące punkty:

• pierwsze są używane tylko w sieciach energetycznych 380 V, a drugi typ może być instalowany zarówno w obwodach jednofazowych, jak i trójfazowych (po jednym na każdą fazę);
• prostowniki 380 Volt pozwalają na konwersję dużej mocy i rozwijanie znacznych prądów w obciążeniu;
• z drugiej strony samodzielne wykonanie prostownika trójfazowego jest nieco trudniejsze, ponieważ składa się z większej liczby elementów.

Obliczenie prostownika trójfazowego będzie również trudniejsze, ponieważ w tym przypadku uwzględniane są składowe wektorowe skutecznych prądów i napięć. Wynika to z faktu, że w obwodach 380 V parametry fazowe są przesunięte względem siebie o 120 stopni.

Nietrudno zrozumieć istotę działania prostownika trójfazowego. Aby to zrobić, musisz zapoznać się z podstawami urządzeń zaworowych i przeanalizować obwód elektryczny pod kątem ich połączenia. Znajomość zasady działania prostowników pomoże użytkownikowi efektywniej wykorzystać go w codziennej pracy.