Управляемые однофазные выпрямители

В современных системах электропитания широко применя­ются управляемые по­лупроводниковые пре­образователи: управляемые выпря­мители, инверторы, преобразователи частоты. Все управляемые полупроводни­ковые пре­образователи подключаются к источнику энергии пе­ремен­ного на­пряжения. Принцип управле­ния состоит в том, что в положитель­ный полупе­риод вентиль по­добно ключу открывается и подает на­пряжение к нагрузке, причем момент отпирания вентиля можно регулировать. На­пряжение и ток на вы­ходе такого преобразователя содер­жат постоянные и пе­ремен­ные составляю­щие. Для анализа работы вентильных пре­образователей в зависимости от на­значения необходимо найти постоянные или переменные со­ставляющие на­пряжения и тока. Для этого опреде­ляют средние значе­ния этих величин за период из­ме­нения напряжения сети. Изменяя время (фазу) от­крытия вентиля, меняют сред­нее значение напряжения на выходе вентильного пре­образователя и, та­ким об­разом, управляют двигателями постоянного и переменного тока.

Управляемым вентилем является т и р и с т о р. Существует большое число различных схем управляемых выпрями­телей. По принципу действия и построе­ния они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в ко­торых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где используют обе полуволны переменно­го напряжения сети.

П р и н ц и п р а б о т ы о д н о п о л у п е р и о д н о й с х е м ы управляемого вы­пря­мителя – т и р и с т о р а. В тиристоре возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе – закрытому. Для того, чтобы открыть тиристор надо на управляющий электрод V3 (рисунок 2.1, а) подать управляющий импульс тока амплитудой и длительностью, достаточной для поддержания открытого состояния тиристора, при прохождении тока через тиристора. В открытом состоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) при этом оказывает малое сопротивление, т.е. на тиристоре практически не падает напряжение. В этом его преимущество. При применении тиристора, следует иметь в виду, что в момент открывания тиристора его сопротивление изменяется скачкообразно и это может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики эти броски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.

На рисунке 2.1, а) представлена простейшая однополупериодная схема управляемого вы­прямителя. К источнику синусоидального напряжения сети с ампли­ту­дой подключены нагрузка R и тиристор Т, который открывается в момент вре­мени, определяемый углом отпирания , подачей на упра­вляющий элек­трод V3 импульса напряжения от схемы управления. В интервал к нагрузке подводится напряжение

. (2.1)

При активной нагрузке кривая вы­прямленного тока (рис. 2.1, в) по­вторяет кривую напря­жения (рис. 2.1, б). В момент вре­мени = 180⁰ ток уменьшается до нуля и тири­стор закрывается. Этот про­цесс повторяет­ся каждый положи­тельный по­лупериод (в отрицательный полу­период тиристор заперт напряже­нием сети).

Управление тиристором осуществляют импульсом возможно меньшей дли­тельности и несколько превы­шающей время включения тиристора. Время включения тиристора – это время перехода тиристора из его запертого в откры­тое состоя­ния. Необходимо также обеспечить достаточно крутой передний фронт управ­ляющего импульса, чтобы уменьшит потери мощности в тиристоре при вклю­чении, т.е. его нагрев.

Для управления тиристором применяют фазовый метод управления, кото­рый может быть реализо­ван с помо­щью фазосдвигающих способов. Одним из таких способов яв­ляется «вертикальный» способ уп­равления, основанный на сравне­нии опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоян­ного напря­жения сигнала управления (рис. 2.1, г).

Рисунок 2.1 - Схема однополупериодного выпрямителя и кривые

тока и напряжения

Ра­венство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при ко­торой схема вырабаты­вает им­пульс, затем усиливается, и по­да­ются на управляющий элект­род тири­стора. Изменение фазы управляющего импульса дости­гается изменением уровня напря­жения сигнала управления .

Схема управления тиристором приведена на рисунке 2.1, д). Опорное на­пряжение, вырабатываемое гене­ратором пилообразного напряжения (ГПН) синхронизированно с напряжением сети с помощью синхронизирующего уст­ройства (СУ) подается на схему сравнения (СС), на которую одновременно по­ступает и напряжение сигнала управления . Сигнал со схемы сравнения по­ступает на формирователь импульсов (ФИ), откуда в виде мощного, обладаю­щего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управ­ляющий электрод.

Схема управления тиристором приведена на рисунке 2.1, д). Опорное на­пряжение, вырабатываемое гене­ратором пилообразного напряжения (ГПН) синхронизированно с напряжением сети с помощью синхронизирующего уст­ройства (СУ), которая подается на схему сравнения (СС). Одновременно на схему сравнения по­ступает и напряжение сигнала управления . Сигнал со схемы сравнения по­ступает на формирователь импульсов (ФИ), откуда в виде мощного, обладаю­щего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управ­ляющий электрод.

Можно определить среднее за период значение напряжения на нагрузке на интервале , интегрируя выражение (2.1):

.

Учитывая, что между амплитудным и действующим значением напряжения справедливо соотношение

,

то между выпрямленным и действующим значением напряжения

. (2.2)

При максимальное значение выпрямленного напряжения будет равно

П р и н ц и п р а б о т ы д в у х п о л у п е р и о д н о й с х е м ы вы­пря­мителя. На рисунке 2.2 показана схема мостового двухполупериодного тири­стор­ного преобразователя. Процесс выпрямления переменного тока в постоян­ный происходит следующим образом. Если на вход мостовой схемы тиристоров по­дается положительная полуволна напряжения питающей сети (рис. 2.2, б) эта полуволна обозначена знаком плюс в кружочках), тогда должны быть от­крыты тиристоры Т₁ и Т₃. При этом ток будет протекать через тиристор Т₁, на­грузку R и Т₃ кминусуисточника питания (знаком минус в кружочках). Это направление тока на ри­сунке 2.2, а) показано сплошной стрелкой.

При изменении полярно­сти напряжения питаю­щей сети (рисунке 2.2, б) отрица­тельная полуволна напряжения обозна­чена зна­ком плюс в квадратиках), должны быть открыты тиристоры Т₂ и Т₄, тогда ток будет протекать через тиристор Т_{2 ,} нагрузку R в том же направлении и через тиристор Т₄ кминусуисточника питания. Это направление тока на ри­сунке 2.2, а) показано штрих­пунктирной стрелкой. Как видно из рисунка 2.2, а) направление тока в нагрузке и соответственно напряжение не меняется с изменением полярности источника питания.

Следует отметить, что отпирание тиристоров осуществляют, как и в про­стейшей схеме рисунка 2.2, а), в положительный полупериод напряжения пи­тающей сети, путем подачи на управляющие электроды отпирающих импуль­сов в мо­мент времени для тиристоров Т₁ и Т₂, а также в момент времени для тиристора Т₃ и Т₄ (рис. 2.2, а). Таким обра­зом, ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении. При этом появляется возмож­ность регулирования среднего значения выпрям­лен­ного напряжения U_ср и тем самым и тока в нагрузке.

На рисунке 2.2, в) приведены кривые напряжения и тока нагрузки (заштри­хованы). Ток в цепи нагрузки может быть представлен в виде двух составляю­щих: постоянной и переменной. Постоянная составляющая оп­реде­ляется сред­ним значением напряжения, пе­ре­менная – зависит от способности схемы сгла­живать пульсации и от угла . Эта составляющая резко возрастает, когда ток становится прерывистым.

Среднее значение напряжения на на­грузке в этом режиме равняется

(2.3)

где U – действующее значение напряжения на входе управляемого выпрямителя.Следует отметить, что при актив­но – индуктив­ной на­грузке характер про­цессов в выпрямителе усложняются за счет индуктивности L_я.

Существует другие схемы выпрямления, например двухполупериодный тиристорный преобразователь с нулем (рисунок 2.3). В этой схеме на вторичных обмотках трансформатора вывод с нулем.

На рисунке 2.4 приведены схема тиристорного преобразователя при наличии фильтра. Индуктивность уве­личивает электромаг­нитную постоян­ную времени, поэтому ток в индуктивности затягивается и ухудшается динами­ческие свойства тиристорного преобразователя. Анализ работы тиристорного преобразователя при индуктивной нагрузке показали, что при значитель­ной индуктивности регулирование напряжения на ней эффек­тивно лишь при изменении в пределах .