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 Т2 , 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 Uср 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 Lя.
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 .
|