Однофазный управляемый выпрямитель

Управляемые выпрямители наибольшее распространение получили в мощных преобразовательных устройствах.

Выпрямители в мощных энергетических установках имеют ряд характерных особенностей:

1. Нагрузка имеет активно-индуктивный характер: такой тип нагрузки характерен для многих потребителей средней и большой мощности, при больших токах сопротивление индуктивности короткой сети, связывающей преобразователь с нагрузкой, становится соизмеримым с сопротивлением нагрузки.

2. Необходимо при анализе принимать во внимание индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

3. Выпрямители большой мощности, как правило, выполняются трехфазными, поскольку технические параметры трехфазных выпрямителей выше (см. 6.4 - 6.5) и они обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети.

4. Весьма часто необходимо регулировать или стабилизировать напряжение на выходе выпрямителей или передаваемую в нагрузку мощность, что требует применения управляемых выпрямителей.

 

Рассмотрение выпрямителей с учетом всех этих особенностей представляет сложности, поэтому сначала обратимся к рассмотрению однофазных выпрямителей, на примере которых выявим характерные черты выпрямителей средней и большой мощности, а затем распространим результаты анализа на трехфазные схемы.

Для изменения напряжения на выходе выпрямителей используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах (тринисторах). Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией.

На рис. 4.1,а) приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От неуправляемого выпрямителя данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами). Рассмотрим работу схемы при разном характере нагрузки, полагая трансформатор и вентили идеальными.

4.1 Работа на активную нагрузку (L_н= 0).

При указанной на рис. 4.1,а) полярности напряжения сети может пропускать ток тиристор VS1 при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления i_y1. Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол a, называемый углом управления (рис. 4.2,а).

Моментом естественного отпирания называем момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (на рис. 4.2 это момент q = 0 для тиристора VS1).

 

 

e₂

i₁ i₁

p 2p J 2p J

i_y1 J i_y1 J

a i_y2 a i_y2

a J a J

u_d, i_d u_d

i_d

E_d J

J E_d

i_a , i₂i_a, i₂

J J

l u_a l

U_обр u_a U_обр

а) б)

e₂ i₁

2p

J

p

i_y1

ai_y2 J

J

a

u_d

i_d

J

E_d

i_a, i₂

J

l u_a

U_обр

в)

Рис. 4.2. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном нулевом управляемом выпрямителе при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б,в) нагрузки: б- режим прерывистого тока; в- режим непрерывного тока.

До включения тиристора VS1 (т.е. при q <a) напряжение на нагрузке u_d=0.При включении тиристора в момент q = a напряжение u_d возрастает скачком до значения u_d=e₂, поскольку на открытом тиристе u_a»0. Ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS1 и нагрузку: i₂(t)=i_a(t)=i_d(t). При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис. 4.2,а). При протекании тока через нагрузку в нагрузке рассеивается активная мощность.

При q = p ток вентиля и ток нагрузки становится равными нулю, тиристор VS1 запирается. До отпирания тиристора VS2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку на интервале p–(p+a) не передается. В момент q=p+a подается управляющий импульс на тиристор VS2, тиристор открывается, на этом интервале u_d= -e₂, т. е. к нагрузке приложено напряжение нижней полуобмотки трансформатора. Ток протекает через нижнюю полуобмотку, тиристор VS2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент q =2p происходит запирание тиристора VS2.

Завершая рассмотрение временных диаграмм рис. 4.2, а), отметим, что ток первичной обмотки трансформатора i₁ на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока проводящей полуобмотки. Напряжение на закрытом вентиле u_a=j_a-j_k, где потенциалы анода и катода j_a и j_k определяются относительно вывода средней точки трансформатора; очевидно, что j_k=u_d, а j_a равно ЭДС на соответствующей полуобмотке трансформатора, т. е. e₂. Таким образом, во время бестоковой паузы u_d=0 и u_a=e₂. На интервале работы одного из вентилей на открытом вентиле j_a=j_k, т. е. u_a=0, на закрытом тиристоре u_a=j_a-j_k=2e₂.

Найдем среднее значение ЭДС выпрямителя, равное при холостом ходе среднему значению выходного напряжения:

 

p

U_dα=1/p ∫ Ö2 U₂ sin q dq=Ö2U₂/p(-cos q) |^p =U_d0(1+cos a)/2, (4.1)

a ^a

 

,где U_d0 = 0,9 - среднее значение ЭДС на выходе неуправляемого выпрямителя Уменьшение U_dα при увеличении угла управления иллюстрируются временными диаграммами рис. 4.3. С увеличением a растет интервал бестоковой паузы, на котором мощность от сети в нагрузку не передается

 

E_d E_d E_d

 

q q q

a=45⁰ a=90⁰ a=135⁰

Рис. 4.3. Форма выходного напряжения однофазного выпрямителя с активной нагрузкой при различных углах управления.

E_d E_d U_x

E_d0

R a=0

a=30⁰

wL_H/R_H растет

a=60⁰

a_кр

 

L R_L

30 60 90 120 150 180 a I_{d кр} I_d

 

а) б)

Рис. 4.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней и большой мощности (б).

 

Зависимость U_dα = ¦(a) называется регулировочной характеристикой, для нагрузки она представлена на рис. 4.4, а).

4.2.2. Режим прерывистого тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Индуктивность препятствует нарастанию тока (временные диаграммы рис. 4.1, б). После включения тиристора VS1 в момент q = a мощность передается из сети в нагрузку, направления напряжения и тока в нагрузке совпадают (рис. 4.1, б). Энергия запасается в индуктивности нагрузки. В момент q = p напряжение u_d(q) = e₂(q) меняет знак, но индуктивность L_H стремится задержать спад тока i_d=i_a и V1 продолжает проводить ток. Теперь направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (рис. 4.1,в), - это означает, что нагрузка является источником энергии, т. е. возвращает энергию, накопленную в индуктивности, в питающую сеть. Часть этой энергии при этом теряется в активном сопротивлении R_H. В момент q=a+l запасенная в индуктивности энергия равна нулю, ток i_d=i_a спадает к нулю и VS1 запирается. После бестоковой паузы в момент q = p+a подается управляющий импульс на вентиль VS2, и процессы повторяются. Такой режим, когда между интервалами проводимости вентилей имеются бестоковые паузы, называется режимом прерывистого тока.

Появление отрицательных площадок в кривой во время возврата энергии из нагрузки в сеть приводит к тому, что среднее значение выходной ЭДС

 

a+l

U_dα =1/p ∫ Ö2 U₂ sin q dq (4.2)

a

 

оказывается меньше, чем значение, определяемое из (6.1).

Выходная ЭДС зависит не только от угла управления, но и от характера нагрузки (т. е. от w_nL_H/R_H), поскольку длительность этапа возврата энергии, запасенной в индуктивности, зависит от соотношения индуктивности и активного сопротивления нагрузки.

При увеличении индуктивности или уменьшении R_H длительность бестоковой паузы уменьшается, при достижении l = p выпрямитель переходит в режим непрерывного тока.

4.3. Режим непрерывного тока при работе на активно-индуктивную нагрузку. Этот режим является наиболее характерным для мощных выпрямителей, в которых обычно w_nL_H>>R_H. При указанном соотношении параметров ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен, его мгновенное значение равно среднему i_d = I_d (рис. 4.2, в). На временных интервалах a-p и (a+p)-2p направления тока и напряжения в нагрузке, часть ее запасается в индуктивности. На интервалах 0-a и p-(p+a) энергия, накопленная в индуктивности, возвращается в питающую сеть, но в момент включения очередного вентиля энергия, накопленная в индуктивности, еще равна нулю. В режиме непрерывного тока длительность протекания тока через вентиль l= p,

т. е. в любой момент времени нагрузка подключена к одной из полуобмоток трансформатора. Среднее значение ЭДС выпрямителя в режиме непрерывного тока

p+a

U_dα =1 / p∫Ö2 U₂ sin q dq, (4.3)

a

Отсюда

U_dα = U_d0 cos a. (4.4)

 

Регулировочная характеристика выпрямителя в режиме непрерывного тока приведена на рис. 4.4, а, она представляет собой косинусоиду. При значениях угла управления a>a_кр энергия, запасенная в индуктивности, оказывается недостаточной для поддержания непрерывного тока нагрузки и выпрямитель переходит в режим прерывистого тока, при этом уменьшается отрицательный участок кривой u_d(t) и растет U_d (регулировочные характеристики показаны на рис. 4.4, а). При работе на чисто индуктивную нагрузку a_кр=p/2, т. е. длительности этапа накопления энергии в индуктивности (a-p) и этапа возврата из нагрузки в сеть равны.

Выбор вентилей и расчет трансформатора в управляемых выпрямителях производят по тем же зависимостям, что и в неуправляемых, поскольку наибольшие токи и напряжения на элементах схемы отмечаются в режиме a=0.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: