Управляемые выпрямители

От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значе­ние выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напря­жением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряже­ния применяют специальные регулируемые трансформаторы (авто­трансформаторы, трансформаторы с подмагничиванием сердечника постоянным током и др.), реостаты или потенциометры. Однако подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют существенный недостаток, связанный с низким к.п.д. Такие регуляторы имеют, как правило, большие массу, габариты и стоимость.

Более экономичным и удобным способом управления, который получил широкое распространение, является управление выпрям­ленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называе­мое управляемое выпрямление.

Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляе­мыми выпрямителями.

В большинстве практических случаев выпрямители средней и большой мощности должны позволять плавно ре­гулировать среднее значение выпрямленного напряжения U_d. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или то­ка нагрузки, а также для регулирования напряжения для уп­равления частотой вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.

Способ регулирования напряжения на нагрузке основан на управлении во времени моментом отпирания вен­тилей выпрямителя за интервал проводимости. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вен­тилей - тиристоров, в связи с чем такой выпрямитель называют управляемым.

Оптимальной формой управляющих сигналов для тиристоров явля­ется короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования подобных импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в требуемых пределах.

Однофазная схема управляемого выпрямителя изоб­ражена на рис. 82, а. Она отличается от схемы неуправляемого выпрямителя тем, что диоды V1 и V2 заменены тиристорами VC1 и VC2. Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмот­ки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управле­ния СУ, которая формирует синхронно с напряжением U₁ управ­ляющие импульсы U_у1 и U_у2 и позволяет изменять их фазу от­носительно напряжений U_2а и U_2Ь источника питания.

Пусть на входе выпрямителя действует положительная полу­волна напряжения U₁ (рис. 82, 6), чему соответствуют полярно­сти напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 82, а без скобок.

При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод V1 открылся бы в момент времени t₀ (рис. 82, в), которое является для него моментом естественного отпирания. Тиристор же отпирается при наличии положительного напряже­ния на аноде и отпирающего импульса на управляющем элек­троде. На интервале t₀-t₁ тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток тран­сформатора u_2а и u_2в: на тиристор VC1 - в прямом направ­лении, а на тиристор VC2 - в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя U_d = 0.

Рисунок 82 - Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:

а - схема включения элементов;

б и в - временные диаграммы напря­жений и токов при активной нагрузке

В момент времени t₁ от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс U_у1. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напря­жения u_2а и подключит нагрузку R_d на напряжение u ₂ 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 R_d скачком возрастает и далее изменяется по кривой напря­жения u_2а. В момент t₂ напряжение u_2а меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t₂-t₃ оба тиристора будут закрыты и ток i_d в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 - прямое напряжение, рав­ное u_2в. В момент t_з подается отпирающий импульс U_у2 на ти­ристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момен­та t₄. Далее через интервал, равный углу α, вновь вступит в ра­боту тиристор VC1 и т.д.

При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая вы­прямленного тока i_d полностью повторяет форму кривой напряжения u_d (рис. 82, в и д). На рис. 82, е построена кривая обратного напряжения U_обр на тиристоре VC1 для случая работы схемы с углом регулирования а = 60°.

Очевидно, что если изменять угол α (сдвигать по фазе управля­ющие импульсы u_у относительно напряжения на анодах тиристо­ров), то будут изменяться время работы тиристоров и соответ­ственно выпрямленное напряжение.