Управляемые выпрямители

Часто необходимо не только выпрямить переменное напряжение, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять величиной напряжения можно как в цепи переменного тока, так и в цепи выпрямленного тока. В цепи переменного тока регулирование осуществляется с помощью трансформаторов и автотрансформаторов. Это направление связано с низким КПД выпрямителя и его громоздкостью, в связи с чем используется только при малых мощностях.

Более экономично регулирование в цепи постоянного тока путем совмещения функций выпрямления и регулирования в одном устройстве. Управляемый выпрямитель основан на использовании тиристоров. Управление тиристором сводится к управлению моментом отпирания (включения) тиристора. Это осуществляется за счет сдвига фазы напряжения управления тиристором относительно анодного напряжения. Такой сдвиг фаз называют углом управления a.

Рассмотрим простейший однополупериодный управляемый выпрямитель — рис. 3.33. Отпирание тиристора производится импульсами, формируемыми схемой управления, а запирание происходит автоматически обратным напряжением. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления U _d = f (a) называется характеристикой управления (рис.3.34). Максимальное значение выпрямленного напряжения получается при a = 0; В этом случае управляемый выпрямитель вырождается в неуправляемый. Таким образом, изменяя угол управления, можно уменьшать величину выпрямленного напряжения относительно величины U _do при a = 0.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель представлен на рис.3.36. Временная диаграмма приведена для случая активной нагрузки. В этом выпрямителе при a = 0 среднее значение выпрямленного напряжениям U _do =0,9 × U ₂ как и в неуправляемом выпрямителе. При a = p выпрямленное напряжение отсутствует. Аналитическое выражение регулировочной характеристики

В отличие от нерегулируемого выпрямителя, в рассматриваемой схеме существует прямое напряжение на вентиле в течение интервала a перед отпиранием тиристора. При величина прямого напряжения будет максимальной, равной амплитуде вторичною напряжения U _2m. Обратное напряжение на вентиле после перехода тока через нуль на интервале a определяется отрицательной полуволной анодного напряжения U ₂ этого тиристора. С момента включения очередного тиристора обратное напряжение на первом тиристоре скачком возрастает до величины . Амплитуда обратного напряжения будет максимальной и равной 2 × U _2m если угол регулирования не превышает p/2.

При индуктивной нагрузке ток открываемого тиристора будет возрастать не скачком, а плавно. Тиристоры остаются в открытом состоянии еще некоторое время после спада вторичного напряжения до нуля U ₂ — так называемый период коммутации g. На этапе коммутации ток в заканчивающем свою работу вентиле падает до нуля, а ток во вступающем в роботу вентиле повышается от нуля до нормального значения, т.е. происходит переход нагрузки с одного вентиля на другой. Длительность периода коммутации тем больше, чем больше отношение L _н/ R _н. Коммутация характерна как для управляемых, так и для неуправляемых выпрямителей. К появлению периода коммутации приводят также индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, достигающие заметных значений в мощных выпрямителях.

Коммутационные процессы приводят к уменьшению выпрямленного напряжения и ухудшению коэффициента мощности выпрямителях.

В течение периода коммутации через тиристор протекает реактивный ток коммутации, ограниченный только индуктивным сопротивлением трансформатора и сети, приведенным ко вторичной обмотке X _а:

Здесь L _2s — индуктивность рассеяния вторичной обмотки; L _1s — то же первичной обмотки; L _c - индуктивность питающей сети. Угол коммутации увеличивает сдвиг первой гармоники первичного тока относительно напряжения сети:

Наличие индуктивности в нагрузке уменьшает пульсации выпрямленного тока, при очень большой L _н выпрямленный ток практически постоянный. Регулировочная характеристика выпрямителя приобретает вид:

В управляемом выпрямителе ток первичной обмотки трансформатора приобретает несинусоидальную форму: первая гармоника тока сдвигается относительно питающего напряжения и тем больше, чем больше угол регулирования. Это приводит к снижению коэффициента мощности выпрямителя, т.е. потреблению им из сети реактивной мощности, даже при чисто активной нагрузке. При индуктивном характере нагрузки этот эффект усугубляется за счет угла коммутации.

Для уменьшения потребляемой из сети реактивной мощности, а, следовательно, улучшения коэффициента мощности выпрямителя, при работе с большой индуктивностью в схему добавляют дополнительный вентиль (так называемый нулевой вентиль), шунтирующий нагрузку. Нулевой вентиль включается в те моменты, когда вторичное напряжение меняет знак с положительного на отрицательный. На интервале a энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, расходуется на ток, замыкающийся через нулевой диод. В результате уменьшается сдвиг первой гармоники первичного тока относительно напряжения сети и улучшается коэффициент мощности.

Характеристики управления двухполупериодного управляемого выпрямителя с активной и индуктивной нагрузкой показаны на рис. 3.37.

Однофазные двухполупериодные выпрямители могут выполняться по мостовой схеме. При этом можно использовать управляемые тиристоры во всех четырех плечах моста или только в двух, а в остальных двух — неуправляемые диоды. Известен вариант мостового выпрямителя с четырьмя неуправляемыми и одним управляемым вентилем — рис. 3.38.

Трехфазные управляемые выпрямители могут выполняться по схеме с нулевым выводом или по мостовой схеме. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом показан на рис.3.39. Особенностью трехфазного управляемого выпрямителя является то, что при больших углах регулирования выходное напряжение приобретает импульсный характер. При и активной нагрузке выпрямленный ток (напряжение) имеет непрерывный характер (область непрерывных токов), а при — прерывистый характер (область прерывистых токов). В случае активно-индуктивной нагрузки прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от угла регулирования, но и от соотношения L _н/ R _н. Если , непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях R _н и L _н. В случае дальнейшего увеличения угла регулирования непрерывный режим тока сохраняется при значительном преобладании индуктивности. Для исключения отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения и улучшения коэффициента мощности, нагрузка индуктивного характера может шунтироваться нулевым диодом.

В трехфазном мостовом выпрямителе режим прерывистых токов наступает при других значениях угла регулирования.

КПД выпрямителя оценивают отношением:

Здесь SD P — сумма активных потерь, состоящих из потерь в вентилях D P _в, потерь в силовом трансформаторе D P _ст и потерь в сглаживающем дросселе D P _д, если последний имеется.

Потери в вентилях:

где m — число вентилей в схеме, D U _а — падение напряжения на вентиле в прямом направлении, I _а — среднее значение тока через вентиль.

Потери в трансформаторе:

где D P _с — потери в стали (потери на перемагничивание), D P _м — потери в меди.

Потери в дросселе:

где I _d — выпрямленный ток, R _д - активное сопротивление обмотки дросселя.

Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой из сети, к полной мощности

Активная мощность определяется первой гармоникой тока первичной обмотки

и без учета потерь в выпрямителе равна полезной мощности

Полная мощность определяется всеми гармониками первичного тока:

Отсюда

Здесь K — коэффициент искажения формы кривой потребляемого тока. сos j ₁ — коэффициент сдвига первой гармоники тока, зависящий от угла регулирования a и угла коммутации g.

K зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Для однофазных двухтактных выпрямителей при ; для трехфазного мостового выпрямителя .

Для формирования импульсов управления, подаваемых на управляющий электрод тиристоров управляемых выпрямителей разработаны схемы СИФУ. Схемы обеспечивают формирование импульсов определенной длительности и амплитуды, подаваемых на вентили фаз выпрямителя в нужные моменты времени. В зависимости от способа реализации величины угла управления α СИФУ может быть аналоговой или цифровой.

При помощи управляемых вентилей можно регулировать величину не только постоянного, но и переменного напряжения. В простейшем случает это можно осуществить по схеме (рис.3.40). Но такие схемы приводят к искажению формы сетевого напряжения.