Am văzut în tutorialul anterior că procesul de conversie a unei surse de intrare AC într-o sursă DC fixă ​​se numește Redresare, cu cele mai populare circuite utilizate pentru a efectua acest proces de redresare, este unul care se bazează pe diode semiconductoare solid-state. De fapt, redresarea tensiunilor alternative este una dintre cele mai populare aplicații ale diodelor, deoarece diodele sunt ieftine, mici și robuste, ceea ce ne permite să creem numeroase tipuri de circuite redresoare folosind fie diode conectate individual, fie doar cu un singur modul de redresare cu punte integrată.

Sursele monofazate, cum ar fi cele din case și birouri, sunt în general de 120 Vrms sau 240 Vrms (de la fază la neutru), numite de asemenea linie-neutru (LN), și nominal de o tensiune și frecvență fixe producând o tensiune sau un curent alternativ în formă de undă sinusoidală cu abrevierea „AC”.

Redresarea trifazată, cunoscută și sub denumirea de circuite de redresare polifazate sunt similare cu redresoarele monofazate anterioare, diferența de data aceasta este că folosim trei alimentări monofazate conectate împreună, care au fost produse de un singur generator trifazat.

Avantajul este că circuitele de redresare trifazate pot fi utilizate pentru alimentarea multor aplicații industriale, cum ar fi controlul motorului sau încărcarea bateriei, care necesită cerințe de putere mai mari decât este capabil un circuit redresor monofazat să furnizeze.

Sursele trifazate iau această idee cu un pas mai departe prin combinarea a trei tensiuni AC de frecvență și amplitudine identice, fiecare tensiune de curent alternativ numită „fază”. Aceste trei faze sunt defazate la 120 de grade electrice una față de alta producând o secvență de fază sau rotația de fază de: 360^o ÷ 3 = 120^o, așa cum se arată.

Forma de undă trifazată

Avantajul este că o sursă de curent alternativ trifazat (AC) poate fi utilizată pentru a furniza energie electrică direct la sarcini și redresoare echilibrate. Întrucât o alimentare cu 3 faze are o tensiune și o frecvență fixe, poate fi utilizată de un circuit de redresare pentru a produce o putere de tensiune DC fixă, care poate fi apoi filtrată, rezultând o tensiune de ieșire DC cu mai puțin riplu (ondulație) în comparație cu un circuit de redresare monofazat.

Redresare trifazată

Văzând că o alimentare cu 3 faze este doar trei faze monofazate combinate împreună, putem utiliza această proprietate multifazată pentru a crea circuite redresoare trifazate.

Ca și în cazul redresării monofazate, redresarea trifazată folosește diode, tiristori, tranzistoare sau convertoare pentru a crea circuite redresoare cu jumătate de undă, undă completă, necontrolate și complet controlate, transformând o sursă trifazată dată într-un nivel de ieșire DC constant. În majoritatea aplicațiilor, un redresor trifazat este alimentat direct de la rețeaua electrică de alimentare sau de la un transformator trifazat dacă sarcina conectată necesită un nivel de ieșire DC diferit.

La fel ca în cazul redresorului monofazic anterior, cel mai de bază circuit redresor trifazat este cel al unui redresor necontrolat cu jumătate de undă care folosește trei diode semiconductoare, o diodă pe fază, așa cum este arătat.

Redresare trifazată cu jumătate de undă

Deci, cum funcționează acest circuit redresor trifazat cu jumătate de undă? Anodul fiecărei diode este conectat la o fază a alimentării de tensiune cu catozii celor trei diode conectate împreună la același punct pozitiv, creând efectiv o aranjare de tip diode-„OR”. Acest punct comun devine terminalul (+) pozitiv pentru sarcină, în timp ce terminalul negativ (-) al sarcinii este conectat la neutrul (N) alimentării.

Presupunem o rotație de fază Roșu-Galben-Albastru (VA - VB - VC) și faza roșie (VA) începe de la 0^o. Prima diodă care va conduce va fi dioda D1, deoarece va avea o tensiune mai pozitivă la anodul ei decât diodele D2 sau D3. Astfel, dioda D1 conduce pentru alternanța pozitivă a VA în timp ce D2 și D3 sunt în starea lor de polarizare inversă. Firul neutru oferă o cale de întoarcere a curentului de sarcină înapoi la alimentare.

După 120 de grade electrice, dioda D2 începe să conducă pentru alternanța pozitivă a VB (faza galbenă). Acum, anodul său devine mai pozitiv decât diodele D1 și D3, care sunt ambele „OFF”, deoarece sunt polarizate invers. În mod similar, 120^o mai târziu VC (faza albastră) începe să crească comutând „ON” dioda D3, deoarece anodul său devine mai pozitiv, comutând astfel „OFF” diodele D1 și D2.

Atunci putem observa că pentru redresarea trifazată, oricare dintre diode are o tensiune mai pozitivă în anodul ei în comparație cu celelalte două diode, aceasta va începe automat să conducă, dând astfel un model de conducție de: D1 D2 D3 ca mai jos.

Forma de undă în conducție a redresorului trifazat cu jumătate de undă

Din formele de undă de mai sus pentru o sarcină rezistivă, putem vedea că pentru un redresor cu jumătate de undă fiecare diodă trece curent pentru o treime a fiecărui ciclu, forma de undă de ieșire având de trei ori frecvența de intrare a alimentării AC. Prin urmare, există trei vârfuri de tensiune într-un ciclu dat, astfel încât prin creșterea numărului de faze de la o singură fază la o alimentare trifazată, redresarea alimentării este îmbunătățită, adică tensiunea DC de ieșire este mai netedă.

Pentru un redresor trifazat cu jumătate de undă, tensiunile de alimentare VA, VB și VC sunt echilibrate, dar cu o diferență de fază de 120^o, oferind:

VA = VP*sin(ωt – 0^o)

VB = VP*sin(ωt – 120^o)

VC = VP*sin(ωt – 240^o)

Astfel, valoarea DC medie a tensiunii de ieșire de la un redresor trifazat cu jumătate de undă este dată de:

Deoarece tensiunea furnizează tensiune de vârf, VP este egală cu VRMS*1,414, rezultă că VRMS este egală cu VP/1,414 oferind 0,707*VP, deci tensiunea DC de ieșire medie a redresorului poate fi exprimată în termeni de tensiune de fază rms (rădăcină medie-pătrată) dând:

Redresare trifazată. Exemplul nr. 1

Un redresor cu 3 faze cu jumătate de undă este construit folosind trei diode individuale și un transformator conectat în stea trifazat de 120 VAC. Dacă este necesară alimentarea unei sarcini conectate cu o impedanță de 50 Ω, calculați:

a) ieșirea medie a tensiunii DC la sarcină, b) curentul de sarcină, c) curentul mediu pe diodă. Presupuneți diode ideale.

a). Tensiunea DC medie pe sarcină:

VDC = 1,17 * Vrms = 1,17 * 120 = 140,4 volți

Rețineți că, dacă ni s-a dat valoarea tensiuni de vârf (Vp), atunci:

VDC ar fi egală cu 0,827 * Vp sau 0,827 * 169,68 = 140,4 V.

b). Curentul DC de sarcină:

IL = VDC /RL = 140,4 / 50 = 2,81 amperi

c). Curentul mediu pe diodă:

ID = IL / 3 = 2,81 / 3 = 0,94 amperi

Unul dintre dezavantajele redresării în trei faze cu jumătate de undă este că necesită o alimentare cu 4 fire, adică trei faze plus o conexiune neutră (N). De asemenea, tensiunea DC medie de ieșire este scăzută la o valoare reprezentată de 0,827 * VP așa cum am văzut. Aceasta se datorează faptului că conținutul de riplu de ieșire este de trei ori mai mare decât frecvența de intrare. Însă putem îmbunătăți aceste dezavantaje adăugând încă trei diode la circuitul redresor de bază creând un redresor necontrolat trifazat cu undă completă.

Redresare trifazată cu undă completă

Circuitul redresor trifazat în punte necontrolată, cu undă completă, folosește șase diode, două pe fază într-o manieră similară cu redresorul în punte monofazat. Un redresor în 3 faze cu undă completă este obținut folosind două circuite redresoare cu jumătate de undă. Avantajul este că circuitul produce o ieșire mai mică de riplu față de redresorul cu trei faze cu jumătate de undă anterioară, deoarece are o frecvență de șase ori mai mare decât forma de undă de intrare AC.

De asemenea, redresorul cu undă completă poate fi alimentat dintr-o alimentare echilibrată delta cu 3 fire, întrucât nu este necesar un al patrulea fir (N). Considerare circuitul redresor cu 3 faze cu undă completă.

Ca și înainte, presupunem o rotație de fază Roșu-Galben-Albastru (VA - VB - VC) și faza roșie (VA) începe de la 0^o. Fiecare fază se conectează între o pereche de diode așa cum este arătat. O diodă a perechii în conducție alimentează partea pozitivă (+) a sarcinii, în timp ce cealaltă diodă alimentează partea negativă (-) a sarcinii.

Diodele D1 D3 D2 și D4 formează o rețea de redresare în punte între fazele A și B, în mod similar diodele D3 D5 D4 și D6 între fazele B și C și D5 D1 D6 și D2 între fazele C și A.

Astfel diodele D1 D3 și D5 alimentează șina pozitivă și depind de care are o tensiune mai pozitivă la terminalele anod. De asemenea, diodele D2 D4 și D6 alimentează șina negativă prin oricare dintre diode care are o tensiune mai negativă la terminalul său catodic.

Atunci putem vedea că pentru redresarea trifazată, diodele conduc în perechi potrivite, dând un model de conducție pentru curentul de sarcină de: D1-2 D1-6 D3-6 D3-2 D3-4 D5-4 D5-2 și D1-2 așa cum se arată.

Forma de undă în conducție pentru redresor trifazat cu undă completă

La redresoarele de putere cu 3 faze, conducția apare întotdeauna în cea mai pozitivă diodă și în cea mai negativă diodă. Astfel că, cele trei faze se rotesc pe terminalele redresorului, conducția este trecută de la diodă la diodă. Atunci, fiecare diodă conduce pentru 120^o (o treime) în fiecare ciclu de alimentare, dar întrucât este nevoie de două diode pentru a conduce în perechi, fiecare pereche de diode va conduce doar 60^o (o șesime) dintr-un ciclu în același timp, cum s-a arătat mai sus.

Prin urmare, putem spune corect că pentru un redresor în 3 faze alimentat de „3” secundare de transformator, fiecare fază va fi separată de 360^o/3, necesitând astfel 2*3 diode. Rețineți, de asemenea, că spre deosebire de redresorul anterior cu jumătate de undă, nu există nicio conexiune comună între terminalele de intrare și ieșire ale redresorului. Prin urmare, poate fi alimentat de la un transformator conectat stea sau conectat delta.

Deci valoarea DC medie a tensiunii de ieșire de la un redresor cu undă completă în 3 faze este dată de:

Unde: VS este egală cu (VL(PEAK) ÷ √3 ) și unde VL(PEAK) este tensiunea maximă linie-linie (VL*1,414).

Redresare trifzată. Exemplul nr. 2

Pentru a alimenta o sarcină rezistivă de 150 Ω de la o sursă conectată delta de 60Hz, 127 V trifazată, este necesar un redresor în punte trifazat cu undă completă. Ignorând căderile de tensiune pe diode, calculați: 1. tensiunea de ieșire DC a redresorului și 2. curentul de sarcină.

1. tensiunea de ieșire DC:

Tensiunea de linie RMS (Root Mean Squared) este de 127 de volți. Prin urmare, tensiunea de vârf linie-linie (VL-L (PEAK)) va fi:

Deoarece alimentarea este trifazată, tensiunea faza-neutru (VP-N) a oricărei faze va fi:

Rețineți că aceasta este practic aceeași cu a spune:

Astfel, tensiunea DC medie de ieșire de la redresorul cu 3 faze cu undă completă este dată de:

Din nou, putem reduce matematica un pic spunând corect că pentru o anumită valoare de tensiune RMS linie-la-linie, în exemplul nostru de 127 volți, tensiunea DC medie de ieșire este:

2. curentul de sarcină al redresorului:

Ieșirea de la redresor alimentează o sarcină rezistivă de 150 Ω. Atunci folosind legea lui Ohm, curentul de sarcină va fi:

Redresarea necontrolată în 3 faze folosește diode pentru a furniza o tensiune medie de ieșire de o valoare fixă în raport cu valoarea tensiunilor AC de intrare. Dar pentru a varia tensiunea de ieșire a redresorului trebuie să înlocuim diodele necontrolate, fie unele, fie toate, cu tiristoare pentru a crea ceea ce se numesc redresoare cu punte controlate pe jumătate sau complet controlate.

Tiristorii sunt dispozitive semiconductoare cu trei terminale și atunci când este aplicat un impuls de declanșare adecvat pe terminalul porții tiristorului, atunci când tensiunea pe Anod-Catod este pozitivă, dispozitivul va conduce și va trece un curent de sarcină. Așadar, prin întârzierea sincronizării impulsului de declanșare, (unghiul de aprindere), putem întârzia momentul în care tiristorul va comuta în mod natural „ON” dacă ar fi o diodă normală și momentul în care începe să conducă când se aplică impulsul de declanșare.

Astfel, printr-o redresare trifazată controlată, care folosește tiristoare în loc de diode, putem controla valoarea tensiunii DC medii de ieșire prin controlul unghiului de aprindere al perechilor de tiristoare și astfel tensiunea de ieșire redresată devine o funcție de unghiul de aprindere, α.

Prin urmare, singura diferență față de formula utilizată mai sus pentru tensiunea medie de ieșire a unui redresor în punte trifazat este în unghiul cosinus, cos (α) al impulsului de aprindere sau declanșare. Deci, dacă unghiul de aprindere este zero, (cos (0) = 1), redresorul controlat are o funcție similară cu redresorul trifazat cu diode necontrolat anterior, cu tensiunile de ieșire medii fiind aceleași.

Un exemplu de redresor trifazat în punte controlat complet este prezentat mai jos:

Redresor trifazat complet controlat

Rezumatul redresării trifazate

Am văzut în acest tutorial că redresarea trifazată este procesul de transformare a unei surse AC trifazate într-o tensiune DC pulsantă, deoarece redresarea transformă sursa de alimentare de intrare a unei tensiuni și frecvență sinusoidale într-o tensiune fixă ​​DC. Astfel, redresarea puterii schimbă o sursă alternativă într-o sursă unidirecțională.

Dar am văzut, de asemenea, că redresoarele necontrolate trifazate cu jumătate de undă, care utilizează o diodă pe fază, necesită o alimentare conectată în stea ca al patrulea fir neutru (N) pentru a închide circuitul de la sarcină la sursă. Redresorul trifazat în punte cu undă completă care folosește două diode pe fază necesită doar trei linii de rețea, fără neutru, cum ar fi cel furnizat de o alimentare conectată în delta.

Un alt avantaj al unui redresor cu undă completă este faptul că curentul de sarcină este bine echilibrat în punte, îmbunătățind eficiența (raportul dintre puterea DC de ieșire și puterea de intrare furnizată) și reducând conținutul de riplu, atât în ​​amplitudine cât și în frecvență, în comparație cu configurație cu jumătate de undă.

Prin creșterea numărului de faze și diode din configurația punții, este posibil să se obțină o tensiune de ieșire DC medie mai mare cu o amplitudine de riplu mai mică, de exemplu, în redresarea cu 6 faze, fiecare diodă va conduce doar pentru o șesime a unui ciclu. De asemenea, redresoarele multi-fazice produc o frecvență de riplu mai mare, ceec ce înseamnă o filtrare capacitivă mai mică și o tensiune de ieșire mult mai netedă. Astfel, redresoarele necontrolate cu 6, 12, 15 și chiar 24 de faze pot fi proiectate pentru a îmbunătăți factorul de riplu pentru diverse aplicații.