Выпрямители с комплексной нагрузкой

 

План лекции:

 

3.1.Однофазные выпрямители.

3.2.Трёхфазные выпрямители.

 

  В предыдущей лекции была рассмотрена работа различных схем выпрямления с управляемыми вентилями на нагрузку с чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с чисто активной нагрузкой для силовых выпрямителей часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка и нагрузка на встречную ЭДС. Примерами таких нагрузок являются обмотки возбуждения электрических машин и втягивающие катушки электроаппаратов, а также любые другие электроприемники, питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом которого служит индуктивная катушка. Случаям нагрузки на встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока, а также при зарядке от выпрямителя аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн. В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротивление (якорь двигателя, сопротивление обмоток силового трансформатора и др.), которые сочетаются с последовательным включением индуктивности, присущей самой нагрузке или дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.
  Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис.1) отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в цепи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает медленнее, чем происходит увеличение напряжения. Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи нагрузки, которая является в электрической цепи инерционным элементом, препятствующим резкому изменению тока id. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности.
Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение некоторой части отрицательного полупериода вторичного напряжения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld при уменьшении тока нагрузки, которая компенсирует отрицательное напряжение t/2 и падение напряжения Див в цепи выпрямления.

Рис. 1. Однополупериодное выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а - схема включения; б и в - кривые напряжений и токов на элементах

 

Общая продолжительность протекания тока через вентиль VD зависит от значения индуктивности, с увеличением которой возрастает длительность протекания тока i_d. Среднее значение выпрямленного напряжения на активно-индуктивной нагрузке U_d однополупериодного выпрямителя будет меньше, чем напряжение U_d при активной нагрузке, так как в течение части периода напряжение отрицательно. Пульсации тока i_d в нагрузке не уменьшаются даже при значительном увеличении индуктивности L_d. Вследствие этого в однополупериодных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве фильтра.

Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку также отличаются от процессов при работе схемы на активную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 2) работает с сильно индуктивной нагрузкой. В этом случае тиристоры VC1 и VC3, не закроются в момент прохождения фазного напряжения через нуль (момент t₂), как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент t₃). Тогда эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры VC1, VC3 выключаются. Вентили VC3, VC4 будут проводить ток, пока снова не будут поданы управляющие импульсы на вентили VC1, VC3 (момент t₅), и т.д.
Длительность протекания тока через каждую пару тиристоров остается соответствующей 180°. При этом ток в цепи нагрузки практически постоянный, токи вентилей имеют форму однополярных прямоугольных импульсов, а токи в обмотках трансформатора – прямоугольных импульсов, симметричных относительно нуля. В кривой выпрямленного напряжения u_d появляются отрицательные участки на интервалах, когда тиристоры поддерживаются в открытом состоянии под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности L_d.

Рис. 2. Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
Это вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения Ud. Очевидно, что с ростом угла управления  площадь отрицательных участков увеличивается, а значение U_d будет уменьшаться. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определено для всего диапазона изменения угла а по следующей формуле:

Это выражение справедливо для всех управляемых схем при работе выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором в выпрямленном напряжении положительные и отрицательные участки равны между собой и постоянная составляющая отсутствует, т.е. Ud = 0, является угол α = π/2.
Регулировочные характеристики однофазных выпрямителей для различных видов нагрузки показаны на рис.3.
Если энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда ud > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока id в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку работы вентиль. В результате в нагрузке возникает бестоковая пауза. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис. 2,г).

Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током при одинаковых значениях угла а, благодаря уменьшению отрицательных участков в кривой ud. но меньше, чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, когда отрицательных участков нет.
Очевидно, что чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность L, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током id. При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока, определяемом нагрузкой, действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла α, индуктивность Ld обычно выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока при максимальном угле регулирования α.

Рис.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней, и большой мощности (б)

На рис. 5 приведена трехфазная нулевая схема выпрямления. При её выполнении на тиристорах получается управляемый выпрямитель.

Рис. 5. Трехфазный управляемый нулевой выпрямитель

 

При подаче управляющих импульсов на тиристоры схемы рис. 5 с
задержкой относительно естественного отпирания на угол 

появляется возможность регулировать среднее значение выходного
напряжения U_d. Как и раньше при работе V1 U_d= е_2А, при включении V2 U_d= e_2В, при работе V3 U_d = е_2С. В режиме непрерывного тока нагрузки  и напряжение на нагрузке в каждый момент времени соответствует ЭДС одной из фаз трансформатора e_2A, e_2B, e_2C (временные диаграммы    U_d при

различных углах управления   приведены на рис. 1,б.

Среднее значение выходного напря­жения при в режиме непрерыв­ного тока на холостом ходу

 

где E_d0=1,17E₂ - выпрямленное значение при .

Последнее выражение означает, что в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя имеет косинусоидальный характер независимо от числа фаз выпрямителя.

Рассмотрение диаграмм (рис. 5) позволяет сделать следующие выводы:

1) При  отрицательные участки напряжения U_d отсутствуют, выпрямитель при любой нагрузке работает в режиме непрепрывного тока.

2) При  появляются отрицательные участки напряжения U_d. В этом случае возможны режимы прерывистого и непрерывного тока.

3) При  возможен инверторный режим, если в цепь постоянного тока будет введен источник энергии, полярность которого противоположна полярности U_d.

 

Схема eправляемого мостового трехфазного выпрямителя

представлена на рис. 6. При подаче импульсов управления на тиристоры выпрямителя с задержкой относительно моментов естественного отпирания на угол управления  в режиме непрерывного тока кривая выходного напряжения состоит из отрезков линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Временные диаграммы    u_d при различных углах управления приведены на рис. 7.

 

Рис. 7. Осциллограммы токов и напряжений в трехфазном мостовом выпрямителе и зависимом инверторе

 

Среднее значение выходного напряжения выпрямителя находим, интегрируя эти кривые:

,

где E_d0=2,34E₂

По-прежнему, в режиме непрерывного тока регулировочная характеристика выпрямителя E_d=f () имеет косинусоидальный характер. Анализ осциллограмм показывает:

   1) При углах управления <  отрицательные участки напряжения U_d отсутствуют, выпрямитель при любой нагрузке работает в режиме непрерывного тока;

2)  При  появляются отрицательные участки напряжения U_d, возможны режимы прерывистого и непрерывного тока;

3)  При  возможна работа в инверторном режиме при наличии в цепи постоянного тока в источнике, полярность которого противоположна полярности U_d.

Высшие гармоники в кривой выпрямленного напряжения и первичного тока. Кривая выпрямленного напряжения любой схемы выпрямления состоит их двух составляющих; постоянной Ud, равной его среднему значению, и переменной, определяемой суммой высших гармоник. Действующее значение напряжения высших гармоник зависит от числа фаз выпрямителя, схемы соединения вентилей и угла управления. Таблица 1 дает представление о содержании напряжения высших гармоник по отношению к среднему значению выпрямленного напряжения для различных схем.
Числовые отношения при полном открытии вентилей выпрямителя (а = 0) указывают на уменьшение действующего значения напряжения с увеличением частоты гармонической. Увеличение угла управления выпрямителя также приводит к росту отношения. Из табл. 1 видно, что преобладающее влияние для всех схем выпрямления имеет гармоническая первой кратности по отношению к частоте сети.

Таблице 1. Гармонический состав выпрямленного напряжения при различном числе фаз и угле управления выпрямителя

Схемы выпрямления	Частота высших гармоник Гц	Отношение действующего значения высших гармоник к постоянной составляющей выходного напряжения
		0°	30°	60°	90°
Однофазная двух- полупериодная, m=2	2-50=100	0,472	0,625	0,851	0.968
	4-50=200	0,094	0.203	0,334	0,392
	6-50=300	0,041	0,142	0,234	0,266
Трехфазная нулевая, m = 3	3-50=150	0,176	0,31	0,47	0,53
	6-50=300	0,041	0,14	0,21	0,25
	9-50=450	0,017	0,08	0,14	0.16
Трахфазная мостовая, m = 6	6-50=300	0,041	0,14	0,21	0,25
	12-50=600	0,011	0,06	0,11	0,12
	18-50=900	0,004	0,04	0,07	0.08