Выпрямители с активной нагрузкой

 

 

План лекции:

 

2.1.Однофазные выпрямители.

2.2.Трёхфазные выпрямители.

Для регулирования выпрямленного напряжения применяются управляемые выпрямители, построенные наиболее часто на однооперационных тиристорах. 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. 1, а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От неуправляемого данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами).

 

Рис. 1. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке

На интервале t₀-t₁, тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток трансформатора на тиристор VC1 - в прямом направлении, а на тиристор VC2 — в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя u_d = 0.В момент времени t₁, от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напряжения и подключит нагрузку R_d на напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение u_d на нагрузке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой входного напряжения. В момент t2 напряжение меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t2—t3 оба вентиля будут закрыты и ток id в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 — прямое напряжение, равное и2Ь. В момент t3 подается отпирающий импульс Uy2 на тиристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момента t4. Далее через интервал, равный углу а, вновь вступит в работу тиристор VC1 и т.д.
    Однофазная мостовая схема на управляемых вентилях изображена на рис.2. Для работы такого выпрямителя управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора, расположенных в противоположных плечах моста. Пусть, например, в момент времени t,, определяемый углом α, от системы управления выпрямителя на тиристоры VC1 и VC3 подаются управляющие импульсы (рис. 2,в), вентили открываются и в интервале t₁ — t₂ через нагрузку Rd протекает ток id. В момент t₂ вентили VC1 и VC3 запираются, так как напряжение проходит через нуль. В интервале t2—t3 к тиристорам VC1 и VC3 будет приложено обратное напряжение; равное половине напряжения вторичной обмотки трансформатора, а к тиристорам VC2, VC4 - прямое напряжение такого же значения.  Далее в момент t ₃ подаются управляющие импульсы на следующую пару тиристоров - VC2, VC4 и они будут работать аналогично тиристорам VC1 и VC3, но только со смещением по фазе на 180° (интервал t₃—t₄).
.
Рис. 2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель: а.— схема включения элементов; б — д - временные диаграммы напряжений и токов

Кривые выпрямленного напряжения ud и тока id однофазной мостовой схемы на тиристорах аналогичны соответствующим кривым для однофазной схемы со средней точкой. Одинаковыми будут формы кривых токов через вентиль, а также кривые токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора. Максимальное значение Uобр на тиристорах, как и для случая работы схемы на диодах, определяется амплитудой напряжения U₂, а в схеме с нулевым выводом — напряжением 2U₂. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение вдвое меньше, чем в схеме с нулевой точкой.

Найдем среднее значение выходной ЭДС выпрямителя, равное на холостом ходу среднему значению выходного напряжения:

,

где U_d0 =0,9 E₂ - среднее значение ЭДС на выходе неуправляемого выпрямителя.

Трехфазная нулевая схема с тиристорами изображена на рис. 3. Рассмотрим принцип действия такого выпрямителя для случая, когда вторичные обмотки трансформатора соединены в зигзаг. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени (с задержкой на угол управления α) по отношению к моменту естественного отпирания диодов в неуправляемом выпрямителе, который соответствует точкам пересечения синусоид фазных напряжений.
Пусть, например, управляющие импульсы на тиристоры VC1, VC2, VC3 подаются в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (при этом угол α = 60°). В этом случае на нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения ud в форме четверти синусоиды.

Рис. 3. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: а — схема включения элементов; б — векторная диаграмма напряжений обмоток трансформатора; в — в — временные диаграммы токов и напряжений

 

Каждый тиристор схемы в этом случае работает одну треть периода. Вторая область соответствует углам а > 30° и характеризуется тем, что при прохождении фазных напряжений через нуль работающий тиристор закрывается, а так как на очередной вступающий в работу тиристор отпирающий импульс еще не подан, то в кривой выпрямленного напряжения возникают паузы (нулевые участки), в течение которых ток id = 0. Длительность прохождения тока через вентиль в этом случае будет меньше трети периода, а среднее значение выпрямленного напряжения рассчитывается по формуле

Для трехфазной нулевой схемы при работе на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол 150°. Напряжение на вентиле определяется разностью потенциалов анода и общей точки катодов, потенциал которой изменяется по кривой напряжения ud. Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, так же как в схеме с неуправляемыми вентилями, равно амплитуде линейного

Для устранения в сердечнике трансформатора потока вынужденного намагничивания вторичные обмотки соединены в зигзаг. При такой схеме соединения ток фазы вторичной обмотки обтекает одновременно две полуобмотки, расположенные на соседних стержнях, но в разных направлениях. Благодаря этому МДС первичной и вторичной обмоток по стержням полностью компенсируются и поток вынужденного намагничивания в сердечнике трансформатора не возникает.
Однако следует отметить, что использование вторичных обмоток по мощности при этом ухудшается.  

В трехфазной мостовой схеме с управляемыми вентилями (рис. 4) так же, как и с неуправляемыми, одновременно работают два тиристора: один из катодной (нечетной) группы, другой из анодной (четной) группы.

 

.

Рис. 4. Трехфазная мостовая схема на управляемых вентилях: а — соединение элементов; б - г — временные диаграммы токов и напряжений при различных углах регулирования

Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной группы по даются с опережением на 180° по отношению к тиристорам четной группы, В этом случае каждый из вентилей проводит ток в течение трети периода, как в неуправляемой схеме, а чередование пар работающих тиристоров происходит через 60°.

Пока угол регулирования а < 60°, кривые выпрямленного напряжения, а следовательно, и кривые выпрямленного тока id (рис.4, в и г) при активной нагрузке непрерывны.  При углах α> 60° и активной нагрузке в кривых напряжения ud и тока id появляется интервал с нулевым значением, т.е. наступает режим работы выпрямителя с прерывистым выпрямленным током.
Среднее значение выпрямленного напряжения, когда ток id прерывистый (а > 60°), определяется выражением

Из него следует, что при работе данной схемы на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол 120°.

 

 

Лекция 3

Управляемые