Трехфазные выпрямители широко используются в промышленности и энергетике. Одной из распространенных схем является схема Ларионова. Давайте разберемся, как она устроена и работает.
История создания схемы Ларионова
Александр Николаевич Ларионов - выдающийся советский электротехник, автор фундаментальных трудов по теории электрических машин и аппаратов. В 1924 году он предложил принципиально новую схему трехфазного выпрямителя, которая позволяла улучшить характеристики выпрямленного напряжения.
Ранее применявшиеся схемы, такие как схема Миткевича, имели существенные недостатки - большие пульсации напряжения, низкий коэффициент мощности, необходимость громоздких сглаживающих фильтров. Схема Ларионова позволила:
- Уменьшить амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения;
- Повысить коэффициент мощности;
- Исключить вынужденное подмагничивание трансформатора постоянным током.
В 1928 году А.Н. Ларионов опубликовал подробное описание своей схемы в труде "Трехфазный выпрямитель переменного тока". С тех пор она получила широкое распространение и вошла в учебники по электротехнике.
Принципиальная схема выпрямителя Ларионова
Схема Ларионова состоит из трехфазного трансформатора и шести диодов, соединенных по мостовой схеме. Три диода образуют катодную группу, еще три - анодную. Выпрямленное напряжение снимается между этими группами.
Работа схемы основана на том, что в каждый момент времени открыты два диода - по одному из каждой группы. В катодной группе открыт диод, на аноде которого в данный момент наиболее высокий потенциал. В анодной группе - диод с наименьшим в этот момент потенциалом на катоде.
Так происходит поочередное открытие пар диодов на каждом полупериоде входного напряжения. Это обеспечивает двухполупериодный режим выпрямления и формирование выходного напряжения улучшенного качества.
Основные достоинства трехфазной схемы Ларионова:
- Высокое качество выпрямленного напряжения за счет двухполупериодного выпрямления;
- Отсутствие подмагничивания трансформатора, повышенный КПД;
- Универсальность - может использоваться как при соединении обмоток трансформатора звездой, так и треугольником.
Недостаток схемы - необходимость применения 6 диодов вместо 3. Однако достоинства перевешивают этот минус.
Основные параметры и характеристики
Схема Ларионова обеспечивает получение выпрямленного напряжения высокого качества. Для оценки его параметров используют следующие характеристики:
- Среднее и максимальное значение выпрямленного напряжения;
- Амплитуда пульсаций и коэффициент пульсаций;
- КПД выпрямления;
- Токовая и мощностная нагрузочные способности;
- Надежность схемы.
По всем этим показателям схема Ларионова превосходит однофазные и трехфазные схемы с меньшим числом диодов. Например, коэффициент пульсаций составляет всего 14%, а КПД достигает 90-95%.
Высокие технические характеристики в сочетании с простотой и надежностью конструкции обусловили широкое применение схемы выпрямителя Ларионова в различных областях.
В дальнейшем на основе этой классической схемы был создан целый ряд модификаций, позволяющих повысить мощность, напряжение и улучшить форму выходного напряжения.
Области применения
Благодаря своим преимуществам, схема Ларионова нашла широкое применение в различных областях:
- Энергетика. Используется в выпрямителях для питания обмоток возбуждения электрических машин, в преобразователях частоты.
- Электропривод. Применяется в системах электроснабжения электровозов, тепловозов, электрокаров.
- Сварочное оборудование. Используется в источниках питания дуговых сварочных аппаратов.
Кроме того, схема Ларионова используется в источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры, системах бесперебойного питания, зарядных устройствах и другом оборудовании.
Модификации схемы Ларионова
На базе классической схемы Ларионова был разработан ряд модификаций, позволяющих улучшить технические характеристики выпрямителя.
Например, соединение обмоток трансформатора треугольником вместо звезды позволяет увеличить выпрямленное напряжение в \(\sqrt{3}\) раз без изменения принципа работы схемы.
Увеличение числа фаз трехфазного напряжения (6, 12) приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения и росту его среднего значения.
Соединение нескольких трехфазных мостов последовательно или параллельно позволяет нарастить мощность и напряжение выпрямителя.
Перспективы развития схемы
В настоящее время активно ведутся работы по модернизации схемы Ларионова на базе новейших достижений электроники.
В частности, ведутся разработки по замене диодов на тиристоры и транзисторы, внедрению цифровых систем управления, повышению мощности и выходного напряжения, улучшению формы выходного напряжения.
Перспективным направлением является создание "интеллектуальных" выпрямителей на базе схемы Ларионова, которые будут обладать расширенными возможностями диагностики, самонастройки параметров, адаптивного управления в зависимости от условий работы.
Применение полупроводников
Современные выпрямители на основе схемы Ларионова используют вместо диодов различные полупроводниковые приборы:
- Тиристоры. Позволяют увеличить мощность выпрямителя, обладают большим КПД.
- Транзисторы. Используются в быстродействующих выпрямителях малой и средней мощности.
- Транзисторы IGBT. Применяются в высоковольтных выпрямителях большой мощности.
Применение современных полупроводниковых приборов позволяет расширить диапазон мощностей и улучшить принцип работы классической схемы Ларионова.
Выводы
Подводя итог, можно сказать, что схема Ларионова по праву считается классической схемой трехфазного выпрямителя. За прошедшие десятилетия она практически не устарела и активно применяется в современной технике.
Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники открывает новые перспективы для модернизации этой схемы, повышения ее технико-экономических показателей.
