Преобразователи постоянного тока

2.1 Неуправляемые выпрямители

2.1.1 Однофазный однополупериодный выпрямитель

На первичную обмотку (рис.9,а) подаётся синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке также будет синусоидальное напряжение

На рисунке 9,б показана диаграмма напряжений на трансформаторе и тока нагрузки.

На рисунке 9,в – диаграмма выпрямленного напряжения. Среднее выпрямленное напряжение равно

Геометрически среднее значение выпрямленного напряжения может быть представлено высотой прямоугольника (косая правая штриховка) с основанием, равным периоду 2π и площадью, равной площади, которая ограничивается кривой выпрямленного напряжения (косая левая штриховка).

Среднее значение тока нагрузки .

Во вторичной обмотке будет протекать пульсирующий ток , содержащий постоянную составляющую (рис.9,г).

На рисунке 9,д представлен первичный ток в предположении, что коэффициент трансформации , а ток холостого хода равен нулю.

Заштрихованные площади на диаграмме тока равны, что указывает на отсутствие постоянной составляющей тока. Таким образом, ток первичной обмотки отличается от тока вторичной обмотки на постоянную составляющую , т.е.

Магнитный поток будет иметь постоянную составляющую, которая будет увеличивать насыщение. Это вызывает возрастание намагничивающего тока и необходимость в завышении расчётной мощности трансформатора.

2.1.2 Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рисунке 10,а. Трансформатор с двумя вторичными обмотками, имеющими равное число витков. Напряжения вторичных полуобмоток равны по величине и сдвинуты относительно друг друга на 180˚. Нагрузка включается между средней (нулевой) точкой трансформатора и катодами вентилей.

Работа схемы на активную нагрузку. Ключ К замкнут. Напряжение вторичной полуобмотки

При полярности (без скобок) в течение времени 0 ÷ θ₁ проводит V1, V2 – выключен.

В следующий полупериод θ₁÷ θ₂ (полярность в скобках) V1- закрывается, ток нагрузкиначинает проходить через открывшийся V2.

Переход тока нагрузки с V1 на V2 носит название процесса коммутации. Так как переход тока произошёл под действием питающего напряжения , такая коммутация называется естественной и осуществляется в точках перехода через нуль вторичных напряжений.

Временные диаграммы напряжений и токов на различных участках схемы показаны на рисунке 10б, в, г, д.

Ток и напряжения ,пульсируют по величине с частотой в два раза превышающей частоту сети (т=2).

Подмагничивание трансформатора постоянным током отсутствует.

Количественные соотношения.

Средние значения выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока .

1) Максимальное обратное напряжение на вентиле

2) Максимальное значение тока вентиля

3) Среднее значение тока вентиля равно половине тока нагрузки

4) Действующее значение токов вентиля и вторичной обмотки

5) Коэффициенты будут равны

6) Токи трансформатора ,

где - коэффициент трансформации

7) Мощности обмоток трансформатора ,

где - номинальная мощность выпрямленного тока

8) Фактическая мощность, выделяемая в нагрузке

9) Коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора

Мощность трансформатора должна быть завышена на 20 % по сравнению с мощностью нагрузки.

Работа схемы на ОВ МПТ. Ключ К разомкнут. Форма тока через вентили (пунктир на рис.10,в) представляет собой прямоугольные импульсы длительностью 180⁰с амплитудой .

Ток поддерживается постоянным за счёт запаса электромагнитной энергии, накопленной в индуктивности L_В. Ток первичной обмотки также имеет прямоугольную форму (рис.10, г пунктир).

Формы кривых выпрямленного и обратного напряжений остаются такими же, как и при работе на активную нагрузку (рис.10,б,д).

В связи с этим изменения количественных соотношений коснётся только токов. Обычно при выводе расчётных соотношений принимают L_В = ∞. Однако они справедливы для .

1). Максимальное значение тока вентиля становится равным .

2). Действующие токи через вентиль и вторичную обмотку трансформатора будут

3). Действующий ток прямоугольной формы в первичной обмотке

4). Мощности трансформатора

Так как для постоянного тока, не содержащего пульсаций, мощности и равны, поэтому коэффициент превышения расчётной мощности трансформатора будет равен К_Пр = 1,34.

Таким образом, наличие достаточно большой индуктивности в цепи нагрузки приводит к увеличению расчётной мощности трансформатора, но улучшает использование вентилей по току.

Работа выпрямителя на якорь МПТ.

Э.д.с. якоря направлена навстречу напряжению (рис.11,а). В связи с этим ток будет определяться разностью напряжения выпрямителя и э.д.с. Предположим вначале, что ключ К (рис.11,а) замкнут .

Откуда следует, что ток якоря из-за односторонней проводимости вентилей может проходить при условии , т.е. когда мгновенное выпрямленное напряжение больше э.д.с. двигателя. Вентили включаются в моменты и выключаются в моменты (рис.11,б). В результате выпрямленный ток якоря будет иметь прерывистый характер.

Первичный ток носит также прерывистый характер (рис.11, г) и равен нулю, когда =0. Поэтому величины токов в элементах схемы также изменяются.

Форма и величина выпрямленного и обратного напряжения остаются прежними.

При включении достаточно большой индуктивности якоря цепи (ключ К разомкнут). Наличие противо э.д.с. приводит только к изменению среднего значения выпрямленного тока (при = I_d; ).

В данном режиме возможно протекание в якорной цепи тока даже при .

2.1.3. Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления (рис. 12).

Предполагаем вначале, что нагрузка активная (ключ К замкнут). В положительный полупериод напряжения ток проходит через вентили по пути , а вентили закрыты. В следующий полупериод вентили V1, V3 запираются, а вентили V2, V4 открываются. Ток протекает всегда по двум последовательно включённым вентилям.

Диаграммы токов и напряжений на элементах схемы будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.10, б, в, г, д). Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

¾ среднее выпрямленное напряжение

¾ коэффициент схемы

¾ максимальное значение обратного напряжения на вентилях

¾ максимальное значение тока вентиля

¾ среднее значение тока вентиля

¾ действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора:

¾ коэффициент превышения расчётной мощности К_Пр=1;

¾ коэффициенты использования вентиля по напряжению и току

Основные схемы трёхфазных неуправляемых выпрямителей.

Основные достоинства трёхфазных схем по сравнению с однофазными следующие:

1) меньшая величина высших гармоник в кривой выпрямленного напряжения К_П и кривой тока, потребляемого из сети ;

2) большая частота пульсаций выходного напряжения выпрямителя, что приводит к снижению габарита и массы силовых фильтров;

3) лучшее использование трансформатора и вентилей;

4) симметричная нагрузка фаз питающей сети.

2.1.4. Трёхфазный выпрямитель со средней (нулевой) точкой (рис. 13, а).

В момент времени ток начинает проводить вентиль V1, присоединенный к фазе «а». Через время 2π/3 () V1 запирается, а V2 открывается. Происходит коммутация тока нагрузки с вентиля V1 на V2. В точке 3 (рис. 13, в) , вентиль V2 запирается, V3 начинает проводить ток и т.д.

Естественная коммутация тока нагрузки с вентиля на вентиль происходит в точке пересечения синусоид фазных напряжений. Поэтому точки 1, 2, 3 называются точками естественной коммутации вентилей.

Каждый вентиль проводит ток в течение 2π/3 каждого периода напряжения питающей сети.

Выпрямленное напряжение представляет собой огибающую синусоид фазных напряжений (рис.13,г). При активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет по форме кривую напряжения . Частота пульсаций ,в три раза больше частоты сетевого напряжения (m = 3).

В непроводящую часть периода к вентилю прикладывается обратное напряжение (рис.13,е), которое формируется из фазных напряжений закрытого и проводящих вентилей.

Когда проводит V2 к вентилю V1 приложено линейное напряжение , в момент включения V3 подаётся напряжение . Соответствующие напряжения на рисунке 13,в заштрихованы.

Форма первичного тока (рис.13,ж), построенная по кривым фазных токов вторичной обмотки, отклоняется от синусоиды.

За начало отсчёта примем момент прохождения напряжения фазы «а» (рис.13,в) максимального значения.

Среднее значение выпрямленного напряжения найдём путём интегрирования напряжения на вторичной обмотке в интервале повторяемости формы выпрямленного напряжения:

Пределы интегрирования соответствуют времени проводящего состояния вентиля. Для схемы (рис. 13,а)

m = 3; тогда .

Среднее значение выпрямленного тока при активной нагрузке

Коэффициент схемы .

Коэффициент пульсации для ν – й гармоники равен , а частота пульсаций .

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения

Действующее значение напряжения вторичной обмотки, находим из выражения для :

Максимальное значение тока вентиля

Среднее значение тока вентиля .

При прохождении тока через вентиль и вторичную обмотку создаётся вынужденный поток (постоянная составляющая) подмагничивания сердечника. Эти потоки составляют 20-25 % от основного потока трансформатора. Это вызывает необходимость завышать расчетную мощность трансформатора.

Для устранения в сердечнике трансформатора постоянной составляющей потока вынужденного намагничивания каждую вторичную обмотку расщепляют на две части и соединяют в зигзаг (рис.13,б). При этой схеме на каждом стержне располагаются по две полуобмотки разных фаз, в которых токи протекают в противоположных направлениях. В результате постоянная составляющая магнитного потока становится равной нулю.

Токи первичных обмоток содержат только переменные составляющие, так как постоянные составляющие токов не трансформируются.

При работе на реальную нагрузку (ключ К на рис.13,а разомкнут) изменяется форма токов (становятся прямоугольными) в вентиле, нагрузке и в обмотках трансформатора (пунктир на рис.13,д,ж).

Соотношения для токов будут

Расчётные мощности обмоток

Коэффициенты использования элементов схемы

2.1.5. Трёхфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) (рис.14,а)

В момент времени Θ₁ (рис.14,б) в катодной группе проводить V1, а в анодной – V6. Переход тока с вентиля на вентиль в обеих группах происходит в точках естественной коммутации К₁, К_2,K₃,…, А₁, А₂, А₃ и т.д.

Порядок вступления в работу вентилей соответствует их номерам и показан на рисунке 14,б.

Потенциал общих катодов по отношению к нулевой точке трансформатора изменяется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей фазных напряжений , , .

Мгновенное выпрямленное напряжение (рис.14, г) равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, заключённым между верхней и нижней огибающими (рис.14,б).

Пульсации выпрямленного напряжения и тока при активной нагрузке происходят c шестикратной частотой по отношению к частоте сети.

Форма выпрямленного тока и тока через вентиль показана на рисунке 14,в, г. При активной нагрузке и работе выпрямителя на ОВ (пунктирная линия на рис.14,в).

Обратное напряжение имеет форму как в нулевой схеме, но в 2 раза меньшей амплитуды. Среднее выпрямленное напряжение при m = 6

Коэффициент схемы .

Выражение для справедливо для активной и индуктивной нагрузки. Остальные соотношения с индуктивной нагрузкой обмотки. Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки.

Максимальный ток вентиля .

Средний ток вентиля .

Действующее значение тока вентиля .

Действующие значения тока обмоток, а также расчётные мощности обмоток трансформатора .

Коэффициенты использования элементов схемы .

Сравнительный анализ различных схем выпрямления приведён в таблице 1, рисунок 16.

2.1.6. Многомостовые схемы (рис. 15)

Можно выделить многомостовые схемы с одним трансформатором и многомостовые с двумя и более трансформаторами, имеющие разные группы соединения обмоток.

Основное назначение многомостовых схем - это уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения и улучшение формы тока, потребляемого из питающей сети, приближение её к синусоидальной.

На рисунке 15,а,б представлены два варианта двух мостовых схем с параллельным соединением мостов. Первая состоит из трёхобмоточного трансформатора, соединённого по схеме Υ/Υ-Δ и двух трёхфазных мостов. Вторая схема имеет два двухобмоточных трансформатора, один из которых соединён по схеме Υ/Υ, а другой – по схеме Δ/Υ, и два трёхфазных моста.

Таблица 1.

Параметры	Однофазная с нулевым выводом	Однофазная мостовая	Трёхфазная нулевая индуктивная нагрузка	Трёхфазная мостовая индуктивная нагрузка
Активная нагрузка	Индуктивная нагрузка	Активная нагрузка	Индуктивная нагрузка
U_d	0,9 U₂_ф	0,9 U₂_ф	0,9 U₂_ф	0,9 U₂_ф	1,17 U₂_ф	2,34 U₂_ф
U_обр_м	2,84 U₂_ф	2,84 U₂_ф = 3,14 U_d	1,42 U₂_ф = 1,57 U_d	1,42 U₂_ф	2,45 U₂_ф = 2,09 U_d	1,05 U_d
I_н_ср	0,5 I_d	0,5 I_d	0,5 I_d	0,5 I_d	1/3 I_d	1/3 I_d
I_в	0,785 I_d		0,785 I_d
I₂	0,785 I_d			I_d		I_d
S₁	1,23 P_d_н	1,11 P_d_н	1,23 P_d_н	1,11 P_d_н	1,21 P_d_н	1,05 P_d_н
S₂	1,74 P_d_н	1,57 P_d_н	1,23 P_d_н	1,11 P_d_н	Y/Y, ∆/Y 1,48 P_d_н ∆/Z, Y/Z 1,71 P_d_н	1,05 P_d_н
S_т	1,48 P_d_н	1,34 P_d_н	1,23 P_d_н	1,11 P_d_н	Y/Y, ∆/Y 1,34 P_d_н ∆/Z, Y/Z 1,46 P_d_н	1,05 P_d_н
k_U	3,14	3,14	1,57	1,57	2,09	1,05
k_I	0,785		0,785
k_п₁	0,483	–	0,483	–	0,18	0,042
k_и	0,9	0,9	0,9	0,9	0,827	0,955
k_г	0,484	0,484	0,484	0,484	0,68	0,311
m

Рисунок 16 - Сравнительный анализ различных схем выпрямления.

В обеих схемах вторичное напряжение трансформаторов сдвинуты на угол π/6.

Обе схемы работают аналогично. Выпрямленное напряжение одной схемы будет иметь пульсации, сдвинутые по фазе на угол π/6 относительно пульсации выпрямленного напряжения другой схемы.

Для уравнивания мгновенных значений выпрямленных напряжений параллельное соединение мостов производят через уравнительный реактор УР.

Суммарное напряжение на нагрузке будет иметь пульсации, частота которых в два раза выше частоты пульсаций каждой схем. В данном случае каждая мостовая схема имеет шесть пульсаций за период, а суммарное напряжение будет иметь 12 пульсаций за период. Эту схему иногда называют 12-фазной.

УР имеет две обмотки, которые расположены на одном магнитопроводе.

Мгновенные значения выпрямленного напряжения ,

где - мгновенное значение напряжения на УР.

На рисунке 15,в представлена двухмостовая схема с последовательным соединением мостов. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке будет.

Схемы 18-ти и 24-фазные получают путём параллельного соединения трёх и четырёх мостов.

2.2. Управляемые выпрямители

Принцип работы и схемы управляемых выпрямителей точно такие же, как у неуправляемых.

2.2.1. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой (рис. 17, а)

Активная нагрузка. Тиристоры V1 и V2 проводят ток только с момента подачи на их управляющие электроды импульсов, смещённых в общем случае на угол α относительно момента перехода через нуль кривых напряжения вторичной обмотки.

Угол α называется углом управления (регулирования). В положительный полупериод тиристор V1 включается с задержкой определяемой углом Θ₁= α (рис.17,б). С этого момента напряжение на нагрузке возрастает скачком на величину , и затем будет изменяться по синусоиде в соответствии с кривой напряжения .

В момент Θ₂ тиристор V1 выключается.

В интервале Θ₃ – Θ₂ оба тиристора V1 и V2 закрыты, =0, .

В момент Θ₃ импульс подаётся на V2. Напряжение , и ток нагрузки изменяются, как и в первом случае (рис.17,б).

При Θ₄ V2 закрывается, и через угол α вновь включается V1. Кривая тока полностью повторяет форму выпрямленного напряжения.

На рисунке 17,г показано кривая мгновенного напряжения на тиристоре . До момента α к V1 приложено прямое напряжение . В интервале Θ₂ – Θ₁ V1 открыт, и напряжение на нём = 0.

При Θ₂ V1 закрывается, и к нему прикладывается обратное напряжение, равное фазному , так как в это время V2 также закрыт. В момент Θ₃ после открытия V2 к V1 прикладывается линейное напряжение 2

В момент Θ₄ на V1 начнёт нарастать положительное напряжение, и процессы повторяются.

Среднее выпрямленное напряжение

Обозначим через среднее выпрямленное напряжение неуправляемого выпрямителя , тогда

С изменением угла α от 0 до π выходное напряжение изменяется от до нуля.

Зависимость называется регулировочной характеристикой. При активной нагрузке предельный угол регулирования, при котором , равен α = 180⁰.

Ток в нагрузке носит прерывистый характер.

Максимальное напряжение зависит от угла α и имеет наибольшее значение

при

Прямое напряжение на вентиле

Кривая напряжения на V2 такая же, как на V1 (рис.17, г), но смещена на 180⁰.

Форма тока первичной обмотки при активной нагрузке изображена заштрихованной площадью на рисунке 17, г.

Максимальный ток вентиля .

Среднее значение тока вентиля, как и для случая α =0 будет .

Действующие токи, протекающие через вентиль и обмотки, зависят от угла α. С увеличением α интервал проводимости тока вентиля уменьшается.

Отношение действующего значения тока к среднему (коэффициент формы К_ф) растёт.

Действующее значение тока связано со средним значением соотношениями

Действующие токи обмоток, выраженные через ток :

Расчётная мощность S_Т зависит от К_ф

Из (*) и (**) видно, что угол α существенное влияние оказывает на установленные мощности основных элементов схемы.

При работе на ОВ МПТ процессы в схеме существенно отличаются. V1, вступив в работу при Θ₁, будет проводить ток вплоть до момента Θ₃ (рис.17, д, е), пока не включится V2, даже при отрицательном напряжении на V1 в интервале Θ₃ – Θ_2. В этом промежутке ток через тиристор и нагрузку поддерживается за счёт электромагнитной энергии, запасённой в индуктивности L_В.

Среднее выпрямленное напряжение определяется суммой заштрихованных площадей в положительный и отрицательный полупериоды

Предельным углом регулирования (при ) является α_П =90⁰.

В интервале 0÷Θ₁проводит V2, а к V1, находящемуся в закрытом состоянии, прикладывается прямое напряжение .

В промежутке Θ₃ – Θ₁ V1 открыт, и напряжение между анодом и катодом равно нулю (рис.17, ж).

При Θ₃ происходит коммутация тока с V1 на V2, и к V1 сразу прикладывается обратное напряжение.

Максимальное обратное напряжение .

Таким образом, несмотря на то, что импульсы поступают на вентили с задержкой на α относительно моментов их естественного включения (Θ = 0, π, 2π, …), длительность протекания тока через каждый вентиль остаётся равной половине периода питающей сети.

При значительной индуктивности ОВ кривые тока через тиристоры и первичную обмотку (рис.17, е, з) имеют прямоугольную форму.

Первая гармоника первичного тока при α =0 совпадает по фазе с кривой питающего напряжения (рис.17,з).

При наличии управления ток отстаёт по фазе от напряжения на угол φ₁ = α (рис.17,з).

Поэтому cos φ₁ выпрямителей с управляемыми вентилями и естественной коммутацией всегда меньше единицы и уменьшается с возрастанием глубины регулирования (с увеличением α).

В управляемых выпрямителях возрастают пульсации выпрямленного напряжения по сравнению со случаем α =0.

Если индуктивность невелика, то энергии запасенной в ней на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, включится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. ранее момента, определяемого углом α.

Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током.

Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.

Чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность L_В, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током .

При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока действующие значения токов в элементах схемы увеличиваются.

2.2.2. Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

Рисунок 17,и, где неуправляемые вентили заменены тиристорами.

Эта схема, работающая с углом α > 0, имеет такие же формы токов и напряжений на её элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой (рис.17,б-з).

При работе на ОВ тиристоры V1, V3 проводят и при отрицательном направлении в интервале Θ₃ – Θ₂, форма остальных токов и напряжений представлена на рисунке 17, е, ж, з, г.

В зависимости от характера нагрузки – активной или активно-индуктивной – схема характеризуется следующими соотношениями:

1. Среднее выпрямленное напряжение:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

2. Максимальное напряжение на вентилях:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

3. Максимальные токи вентиля:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

4. Действующие и средние значения токов вентилей:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

5. Действующие токи вторичной обмотки:

¾ при активной нагрузке ;

¾ при активно-индуктивной .

Управляемые выпрямители трёхфазного тока.

Началом отсчёта угла α в трёхфазных схемах являются точки естественной коммутации вентилей.

Рассмотрим принцип работы для схем (рис. 18 и 19).

2.2.3. Трёхфазная схема со средней точкой трансформатора (рис. 18, а)

На рисунке 18,б кривые и(заштрихованные площади) для трёх значений углов α при активной нагрузке.

Из рисунка следует, что ток в активной нагрузке непрерывен при и носит прерывистый характер при .

В соответствии с эти регулировочная характеристика в каждой из указанных областей рассчитывается по различным выражениям.

Примем за начало отсчёта момент перехода фазного напряжения через нуль.

Среднее выпрямленное напряжение в области непрерывного тока

где .

В этом случае каждый вентиль работает треть периода.

При кривая мгновенных значений выпрямленного напряжения доходит в моменты переключения вентилей до нуля. Такой режим работы называется гранично-непрерывным.

Во второй зоне ток через вентиль обрывается при прохождении соответствующего фазного напряжения через нуль (ток через V2, подключенного к фазе «в» на рис.18,б).

Длительность интервала проводимого тока вентиля становится меньше и будет равна .

Среднее выпрямленное напряжение в этом случае

Откуда следует, что для трёхфазной нулевой схемы при активной нагрузке предельный угол управления () равен α_м = 150⁰.

Кривая напряжения на вентиле (рис.18,в) определяется как разность потенциалов анода и катода. Максимальное обратное напряжение имеет ту же величину, что и для неуправляемой схемы.

При нагрузке на ОВ токи в вентилях и обмотках такие же, как и для случая α = 0 (рис. 13 г, токи ).

Коммутация токов в вентилях происходит в момент подачи управляющих импульсов.

Из рисунка 18,в следует, что форма кривой выпрямленного напряжения не отличается от случая работы выпрямителя на активную нагрузку.

При углах управления (рис.18,г) в кривой выпрямленного напряжения появляются интервалы, когда оно принимает отрицательные значения.

Учитывая, что длительность работы каждого вентиля равна , среднее выпрямленное напряжение находится по формуле .

Максимальные значения напряжений на вентилях при активно-индуктивной нагрузке в режиме непрерывного тока

2.2.4. Управляемый мостовой трёхфазный выпрямитель.

На рисунке 19,б представлены кривые выпрямленного напряжения и тока для трёх значений углов α.

Из рисунка следует, что прерывистый ток в нагрузке протекает при .

Для области непрерывного тока () среднее выпрямленное напряжение равно

Интегрирование производится за интервал проводимости вентиля.

В режиме прерывистого тока () мгновенное значение выпрямленного напряжения равно нулю при Θ=π в соответствии с кривой вторичного напряжения трансформатора. Для этого случая имеем

Предельным углом регулирования, при котором , является угол α_м = 120⁰.

Для нормальной работы мостовой схемы необходимо подавать управляющие импульсы на тиристоры шириной не менее 60⁰ или сдвоенные импульсы, отстающие друг от друга на указанный интервал (рис.19, в, г).

При запуске выпрямителя импульс управления (например, при Θ₁) подаётся на V1 катодной группы.

Однако V1 не включается, так как в анодной группе все вентили заперты. Через промежуток, равный 60⁰ (Θ₂), импульс поступает на V2. Если в этот момент на вентиле V1 будут отсутствовать импульсы, V2 не включится.

В режиме прерывистого тока также необходимо подавать повторный импульс на соответствующий вентиль в противоположной группе.

На рисунке 19,в показано положение импульсов для двух значений углов управления.

При работе выпрямителя на ОВ с большой индуктивностью ток нагрузки непрерывен во всём диапазоне изменения α. Среднее выпрямленное напряжение определяется по формуле (*). При среднее значение согласно (*) становится равным нулю.

Для сравнительной оценки рассмотренных выпрямительных схем на рисунке 20 приведены их регулировочные характеристики. При работе на ОВ или якорь с большой индуктивностью среднее выпрямленное напряжение всех схем является косинусоидальной зависимостью от угла регулирования α.

2.2.5. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичных токов в схемах выпрямления.

Выпрямленное напряжение можно представить в виде суммы двух составляющих:

¾ постоянной, т.е. среднего значения ;

¾ переменной u_~, представляющей собой переменное напряжение несинусоидальной формы.

Несинусоидальное напряжение в свою очередь можно представить в виде суммы гармонических напряжений:

где n – номер высшей гармоники,

m – число пульсаций в выпрямленном напряжении за один период переменного напряжения сети,

ω – угловая частота напряжения питающей сети,

U_nm – амплитуда n – й гармоники.

Θ_n – начальная фаза n – й гармоники.

Частота составляющих выпрямленного напряжения

где f - частота напряжения питающей сети,

f₁= m – частота первой гармоники пульсации.

Например, при частоте сети f=50 Гц частота первой гармоники (n=1) будет иметь следующие значения:

а) для однофазной мостовой схемы (m = 2)

б) для трёхфазной схемы с нулевым выводом (m = 3)

в) для трёхфазной мостовой схемы (m = 6)

Амплитуда n-й гармоники напряжения для схем работающих с углом управления α = 0 определяется по формуле

откуда видно, что самое большое значение имеет амплитуда первой гармоники (n = 1), а остальные убывают обратно пропорционально квадрату порядкового номера гармонической составляющей.

Действующее значение переменной составляющей выпрямленного напряжения можно выразить формулой

где - действующее значение n-й гармонической составляющей.

На практике пульсации оцениваются значением коэффициента пульсаций ,

где - амплитуда первой гармоники выпрямленного напряжения.

С ростом угла α увеличиваются пульсации. В то же время период повторяемости пульсаций не зависит от угла α.

При условии непрерывности выпрямленного тока (что соответствует активно-индуктивной нагрузке) зависимость между амплитудами гармонических составляющих и углом α одинакова для различных схем и даётся формулой

где - среднее значение выпрямленного напряжения при α = 0.

Формула (*) является частным случаем последней формулы, когда α = 0.

Из рассмотренных схем выпрямления следует, что они в большинстве случаев потребляют из сети несинусоидальный ток. Так однофазный двухполупериодный выпрямитель при активной нагрузке и α = 0 потребляет синусоидальный ток (рис.13, г) и высшие гармоники тока равны нулю, а при индуктивной нагрузке, ток имеет прямоугольную форму и может быть представлен в виде суммы гармонических составляющих

где

Согласно этому выражению потребляемый ток содержит, помимо основной гармоники (первой), высшие, наименьший номер которых тем выше, чем больше кратность пульсаций выпрямленного напряжения m.

Амплитуды гармонических составляющих I_n_,м связаны с амплитудой основной (первой) гармоники I_1,м соотношением I_n_,м = I_1,м/n.

Следовательно, с увеличением числа фаз схемы выпрямления (с увеличением числа m) потребляемый из сети ток приближается к синусоидальному (так как содержание высших гармоник уменьшается, n↑).

Высшие гармоники в первичном токе вызывают дополнительные потери и искажают форму кривой питающего напряжения.

Гармонический состав тока, потребляемого из сети управляемым выпрямителем, существенно зависит от характера нагрузки. Если нагрузка не обеспечивает режим работы с непрерывным током , то с ростом α происходит увеличение амплитуд высших гармоник потребляемого тока.

При индуктивной нагрузке угол α не оказывает влияния на гармонический состав потребляемого тока.

Основные параметры выпрямительных схем сведены в таблице 1.

Однофазные схемы используются обычно в выпрямителях малой и средней мощности при невысоких требованиях к величине пульсаций выпрямленного напряжения.

Выпрямители средней и большой мощности выполняют по трёхфазной мостовой схеме, которая обладает высокими технико-экономическими показателями.

Для получения низких значений коэффициента пульсаций и малых искажений тока, потребляемого из сети, следует применять многофазные схемы.

2.3. Процессы коммутации в вентильных схемах.

Ранее процесс перехода тока с одного вентиля на другой (процесс коммутации) рассматривался как мгновенный. В реальных схемах мгновенная коммутация токов в вентилях невозможна из-за наличия в анодных (катодных) цепях определённой индуктивности, входящей в контур коммутации. Эта индуктивность определяется суммой, приведённой к вторичной обмотке трансформатора индуктивности питающей сети и индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

Время, в течение которого происходит переход тока нагрузки с одного вентиля на другой, называется углом коммутации (перекрытия) вентилей и обозначается γ.

Наличие реального времени коммутации вносит существенные изменения в работу схемы выпрямления и влияет на форму кривых токов и напряжений, а также на характеристики выпрямителя.

2.3.1. Процессы коммутации в однофазных схемах выпрямления.

Рассмотрим на примере однофазной двухполупериодной нулевой схемы (рис. 21, а).

На рисунке 21,б изображена эквивалентная схема выпрямителя.

Приведённые индуктивность питающей сети и индуктивность рассеяния первичной обмотки объединены с индуктивностью рассеяния вторичной обмотки в виде двух эквивалентных индуктивностей L_s, отнесённых к каждой фазе.

Значение 2L_s определяется из опыта КЗ трансформатора. Э.д.с. вторичных обмоток показаны в виде двух источников e₁ и e₂.

В интервале 0÷Θ₁проводит V2 (рис.21,в,г). В момент Θ=α импульс падает на V1, и начинается переход тока с вентиля V2 на V1. Из-за индуктивности L_s ток в V2 не может мгновенно упасть до нуля, а в V1 – мгновенно нарасти до величины тока нагрузки I_d.

В связи с этим в промежутке Θ=γ оба вентиля открыты. Под действием э.д.с. в контуре коммутации, не содержащем цепь нагрузки, возникает ток КЗ i_K (пунктир на рис.21,б).

При этом выпрямленное напряжение равно нулю (рис.21,в), так как вторичная обмотка оказывается замкнутой накоротко тиристорами V1 и V2.

Ток i_K направлен навстречу току i_V₂ запираемого тиристора V2 и согласно с током i_V₁ открывающего V1. Поэтому ток i_V₂ будет уменьшаться, а i_V₁ – увеличиваться.

При Θ =α+ γ ток i_V₂= i_К, поэтому i_V₂ - i_К =0, V2 запирается, i_V₁ = I_d вентиль V1 полностью отпирается.

В момент Θ = Θ₂ начинается коммутация тока с V1 на V2, а заканчивается при Θ = Θ₂ + γ. Далее процессы повторяются.

Длительность прохождения тока через вентили увеличивается и составляет уже не π, а π + γ (рис.21,г).

Среднее значение выпрямленного тока I_d связано с углом коммутации γ и углом α соотношением

где χ_s – индуктивное сопротивление рассеяния, входящее в контур коммутации.

Из последнего выражения получаем уравнение коммутации

Обозначим при α = 0 угол коммутации γ = γ₀, тогда уравнения коммутации будет иметь вид

Подставляем в исходное уравнение, получим

откуда

Согласно последнему выражению с ростом α уменьшается угол γ. Физическая сущность этого явления состоит в том, что с увеличением α растёт напряжение, под действием которого развивается ток i_K в контуре коммутации и, следовательно, до значения I_d он растает быстрее.

Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на напряжение U_d_.Поскольку на время коммутации выпрямитель замыкается накоротко, средняя величина выпрямленного напряжения уменьшается по сравнению со случаем идеальной коммутации на величину заштрихованных площадок (рис.21,в).

Снижение выходного напряжения выпрямителя учитывается как падение напряженияна индуктивном сопротивлении X_s.

Величина может быть найдена как интеграл от вторичного напряжения обмотки за время коммутации

Значение не зависит от угла α.

Средние значения выпрямленного напряжения с учётом равно

Процессы, возникающие при коммутации, оказывают влияние также на форму напряжения, прикладываемого к вентилю (рис.21,д), и токов вторичной и первичной обмоток (рис.21,е).

Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава.

Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока, потребляемого выпрямителем.

2.3.2. Процессы коммутации в многофазных схемах выпрямления.

Трёхфазная схема со средней точкой

Эквивалентная схема показана на рисунке 24,а, для момента коммутации тока с V1 на V2.

Во внекоммутационный интервал ток проводит всегда один вентиль. Например, в промежуток Θ₂ – Θ₁ включён V1. В момент Θ₂ подаётся импульс на V2. П од действием коммутирующей э.д.с. в контуре, содержащем тиристоры V1 и V2, возникает ток КЗ i_K (рис.24,а), ограничиваемый двойной фазной индуктивностью L_s_. Под действием тока i_K V2 открывается, а V1 запирается за время γ (рис.24,б,в). При Θ ≥ Θ₃ в схеме проводит один вентиль V2.

Длительность проводимости каждого вентиля

Уравнение коммутации для данной схемы

В отличие от однофазных схем мгновенное выпрямленное напряжение u_d в интервале коммутации не равно нулю, а определяется полусуммой фазных напряжений коммутируемых вентилей . Это выражение описывает синусоиду с амплитудой .