Работа неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку


СОДЕРЖАНИЕ:

Выпрямитель с индуктивной нагрузкой

Включение пассивного сглаживающего фильтра на выходе выпрямителя существенно влияет на физические процессы в самом выпрямителе. Индуктивный характер имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с индуктивности или на обмотку реле, контактора, обмотки возбуждения электрических машин и др. Схема простейшего выпрямителя с индуктивным характером нагрузки приведена на рисунке 1. В этих схемах, как правило, выполняется условие т.е. индуктивное сопротивление дросселя на частоте пульсаций больше сопротивления нагрузки. Известно, что ток в индуктивности отстаёт от напряжения на Π/2 и процесс нарастания и спада тока заканчивается в пределах одного периода.

Рисунок 1. Однофазный, однотактный выпрямитель с индуктивным характером нагрузки

Ток в цепи (i2) несинусоидален, так как кроме ЭДС вторичной обмотки в ней действует ЭДС индукции дросселя . При увеличении тока происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя, а при уменьшении тока — освобождение этой энергии. Таким образом, результатом включения индуктивности является “затягивание” тока вентиля. Угол протекания тока зависит от постоянной времени , где , rд — сопротивление диода, r2 — омическое сопротивление вторичной обмотки трансформатора. Зависимость угла протекания тока от постоянной времени индуктивной нагрузки приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость угла протекания тока от постоянной времени индуктивной нагрузки

По данному рисунку видно, что для того, чтобы через нагрузку постоянно протекал ток, необходимо чтобы выполнялось условие ωL/R≥10. Выполнить это соотношение сложно т.к. возрастают потери в самом дросселе и в результате существенно снижается общий КПД. Поэтому при индуктивном характере нагрузки обычно применяют многофазные схемы , где легко обеспечивается непрерывность тока за период пульсаций.

В качестве примера возьмём трёхфазный однотактный выпрямитель, схема которого приведена на рисунке 3. На этой схеме LS — индуктивность рассеяния вторичной обмотки трансформаторы; r — сопротивление потерь , которое обычно много меньше Rн; γ — угол перекрытия фаз. Поскольку ωL

  • Пред.страница
  • Содержание
  • След.страница

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2020

Работа выпрямителя на активно-емкостную и активно-индуктивную нагрузку

Выпрямитель не всегда работает на чисто активную нагрузку, а на самом деле он очень редко работает на нее. В данной статье мы будем рассматривать режимы работы выпрямителя на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки.

Работа на активно-индуктивную нагрузку

Если нагрузка будет иметь индуктивный характер ( ), ток будет сглаживаться, его пульсации будут уменьшаться и при mωLH>>RH ток станет идеально сглаженным:

При этом действующее значение тока будет приближаться к среднему, что отразиться на значениях I1 и I2. Если id=Id=const, то

В следствии этого

Из этого делаем вывод, что при работе на индуктивную нагрузку типовая мощность трансформатора уменьшается: так как более сглаженный ток имеет меньшее действующее значение относительно среднего.

Работа на активно-емкостную нагрузку

Если нагрузка имеет емкостной характер (параллельно с Rн соединен конденсатор Сн ), то сглаживаться будет упрощенное напряжение:

В те моменты, когда Ud U2 , конденсатор разряжается на Rн. При больших значениях Cн U2 будет превышать Ud очень короткое время, и чтобы пополнить заряд, который конденсатор утратил за более длительное время, когда Ud > U2, нужны большие значения тока:

Они могут повредить диоды, если в кругу заряда конденсатора будет маленькое сопротивление, что характерно для мощных трансформаторов, обмотки которых выполнены толстой проволокой с очень маленьким сопротивлением. Поэтому конденсаторы применять для сглаживания напряжения целесообразно только в выпрямителях малой мощности и с более-менее большим сопротивлением обмоток. В мощных выпрямителях можно сглаживать ток только с помощью последовательно присоединенной индуктивности – дросселя.

Выпрямители. Назначение, классификация, основные схемы и расчет.

Общие принципы построения выпрямительных устройств.

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30-35%) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.

Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

Структурная схема и классификация выпрямителей.

Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят:

  • силовой трансформатор (СТ),
  • вентильный блок (ВБ),
  • фильтрующее устройство (ФУ),
  • цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН) .

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.

Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U2 определяет значение выпрямленного напряжения Uн (или Ud).

Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U1, I1 с частотой f1, и цепь нагрузки с Uн, Iн (или Ud, Id). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.

Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.

При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.

Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.

Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:

1) по выходной мощности (маломощные — до 600 Вт, средней мощности — до 100 кВт, и большой мощности — более 100 кВт);

2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);

3) по пульсности (р) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U1;

4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U2 за период питающего напряжения:

Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) – управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители.

Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:

а) на активную нагрузку;

б) на активно-индуктивную нагрузку;

в) на активно-емкостную нагрузку;

Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются.

Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей.

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устрой­ству. К ним относятся:

— величины выпрямленного напряжения и мощности;

— частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;

— число диодов и величина обратного напряжения на них;

— коэффициент полезного действия (к.п.д.);

— коэффициент мощности и другие энергетические показатели.

При расчете выпрямителя большое значение имеет также коэффи­циент использования трансформатора по мощности, который определяется как:

где Ud, Id — средние значения выпрямленного напряжения и тока, U1, I1 — действующие значения первичного напряжения и тока, U2, I2 — действующие значения вторичного напряжения и тока.

При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.

Основные схемы выпрямления.

Однофазные выпрямители.

Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам — фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.

Однофазная, однополупериодная схема.

Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют для выпрямления токов до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризу­ется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б.

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Под действием ЭДС вторичной обмотки e2 ток в цепи нагрузки id может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток ivd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжение ud в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e2, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением r). Максимальное обратное напряжение на вентиле Uобрmax, как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E2m.

Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую Id, которая в первичную обмотку не трансформируется. В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича).

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.


Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD1 и VD2. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w21 и w22 находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD1 и VD2 проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD1 и ток ivd1 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w21 трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD2, ток ivd2 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w22 трансформатора, причем в цепи нагрузки ток id проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток i21 и i22 в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания.

Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.

Выходное напряжение ud снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку: Id = Ud / Rd .

Поскольку ток id протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит:

Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то

Величина Ud при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой

Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

Мостовая схема (схема Греца).

Однофазная мостовая схема (рис. 1.4, а) характеризуется высоким коэффициентом использования трансформатора по мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; пульсации такие же, как в предыдущей схеме. По сути, работа мостовой схемы в течение каждого полупериода ничем не отличается от схемы со средней точкой трансформатора, только здесь пропускает ток не один вентиль, а два вентиля, соединенных последовательно, и для каждого полупериода используются не отдельные половины вторичной обмотки, а одна обмотка, что повышает эффективность использования трансформатора. Достоинства – меньшее обратное напряжение на диодах в 2 раза, меньшие габариты, выше коэффициент использования трансформатора, чем в схеме со средней точкой. Недостаток – на диодах падение напряжения в 2 раза больше.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис. 1.4, б. Выходное напряжение ud при чисто активной нагрузке, как и в схеме с выводом средней точки трансформатора, имеет вид однополярных полуволн напряжения u2 (рис.1.3, б). Это получается в результате поочередного отпирания диодов VD1, VD4 и VD2, VD3. Диоды VD1 и VD4 открыты при полуволне напряжения u2 положительной полярности (показана на рис. 1.4, а без скобок), обеспечивая связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой и создавая на ней напряжение ud той же полярности, что и напряжение u2. На полуволне напряжения u2 отрицательной полярности (показана на рис. 1.4, а со скобками) открыты диоды VD2 и VD3, подключающие напряжение u2 к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале.

Рис. 1.4. Однофазная мостовая схема выпрямления (схема Греца) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Ввиду идентичности кривых ud для выпрямителей без потерь (мостового и со средней точкой) действительны те же соотношения между выпрямленным напряжением Ud и действующим значением напряжения U2.

поэтому и пульсации такие же, как в предыдущей схеме.

Ток Id распределяется поровну между парами диодов и ток каждого диода определяется также, как и в предыдущей схеме.

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов и его максимальное значение определяется амплитудным значением напряжения u2

т.е. оно вдвое меньше, чем в схеме со средней точкой.

Ток в нагрузке протекает в течение обоих полупериодов переменного напряжения, как и ток во вторичной обмотке трансформатора имеющий форму синусоиды. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

это обусловлено тем, что в отличие от схемы со средней точкой ток i2 здесь синусоидальный, а не пульсирующий.

С учетом того, что трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку, для мостовой схемы габаритная мощность первичной и вторичной обмоток будет одинакова и общая габаритная мощность Sгаб равна габаритной мощности первичной обмотки трансформатора в рассмотренной ранее схеме со средней точкой, т.е. 1,23Pd.

На принципиальных схемах диодный мост может изображаться по разному и во многих случаях его изображают упрощенно (как показано на рисунке слева). Обычно, такое изображение служит для того, чтобы упростить общий вид принципиальной схемы, либо для того, чтобы показать, что в данном случае применена диодная сборка. Диодная сборка — это 4 диода с одинаковыми параметрами, размещенных в общем корпусе. Диодная сборка является более технологичной деталью, поскольку занимает меньше места на печатной плате.

Каждый электрик должен знать:  Карбоновый термомат Unimat система теплого пола
Трехфазные выпрямители.

Схема выпрямителя трехфазного питания применяется в основном для питания потребителей средней и большой мощности.
Первичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей состоит из трех фаз и соединяется либо в звезду, либо в треугольник. Вторичная обмотка трансформатора (их может быть несколько), также трехфазная. С помощью специальных схем соединения вторичной обмотки и всего выпрямителя, можно получить выпрямленное напряжение с числом пульсаций за период, кратным трем. С возрастанием числа пульсаций в выпрямленном напряжении значительно сокращаются габаритные размеры сглаживающих элементов фильтров, либо вообще отпадает необходимость в них. Выпрямители трехфазного питания равномерно нагружают сеть трехфазного тока, и отличаются высоким коэффициентом использования трансформатора.

Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда).

В схему трехфазного выпрямителя со средней (нулевой) точкой входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток связаны с анодами трех вентилей. Нагрузка подключается к общей точке соединения катодов вентилей и среднему выводу вторичных обмоток (рис. 1.5, а).

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного выпрямителя со средней точкой на активную нагрузку, представлены на рис. 1.5, б. В идеализированной схеме, без учета индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и полагая вентили идеальными, коммутация токов, т.е. переход тока с одного вентиля на другой, проходит мгновенно и в любой момент времени ток пропускает только один вентиль, анод которого имеет наиболее высокий потенциал.

Рис. 1.5. Трехфазная нулевая схема выпрямления (звезда-звезда) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора. За период напряжения питания через каждую вторичную обмотку однократно протекает однополярный ток, при этом интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3 (120º). Открытый вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке. В результате в нагрузке действует однополярное пульсирующее напряжение ud, представляющее собой участки фазных напряжений вторичных обмоток и содержащее трехкратные пульсации за период.

Достоинства схемы: малое число диодов и, соответственно, малое падение напряжения на них и поэтому может быть использована для выпрямления низких напряжений при повышенных мощностях (свыше 500 Вт); высокая частота пульсаций выпрямленного напряжения – три частоты питающей сети, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра.

Недостатки: значительное обратное напряжение на диодах, низкий коэффициент использования трансформатора за счет явления подмагничивания магнитопровода.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова).

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема приме­няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора U2, как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжение Ud данного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значении Ud величина U2 будет в два раза меньше.

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.

За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). При этом интервал совместной работы двух вентилей равен π/3 (60º).

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.

Более подробно можно прочесть здесь:

Особенности работы выпрямителей с различным характером нагрузки

Наличие реактивного элемента или источника электродвижущей силы (э.д.с.) на стороне постоянного тока существенно изменяет режим работы выпрямителя.

Рассмотрим сначала работу простейшей схемы однополупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой (рис. 1.10а, б). На интервале 0

Для анализа процессов на интервале проводимости 2×θ (θ – угол отсечки) примем, что напряжение на конденсаторе uc= Uc(0)= const (рис. 1.14).

Тогда ток через диод

где — сопротивление вторичной обмотки трансформатора; — сопротивление диода в прямом направлении.

Учитывая, что на интервале ωt1

При работе на активную нагрузку с противо-э.д.с. (ключ К замкнут) схема работает в режиме прерывистого тока. При u21> Ed (или u22 > Ed) открыт соответствующий диод и к нагрузке приложено напряжение u21 (или u22). Если это условие не выполняется, то ud= Ed. Мгновенное значение тока в цепи нагрузки

Наличие индуктивности в цепи нагрузки (ключ К разомкнут) приводит к затягиванию тока через диоды. В режиме прерывистого тока (при сравнительно небольшой величине Ld) процессы в схеме иллюстрируются рис. 1.16. При дальнейшем увеличении индуктивности и переходе к режиму непрерывного тока процессы в схеме протекают так же, как при работе выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 1.12). Изменяется лишь среднее значение выпрямленного тока:

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители (УВ) позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения. В качестве силовых элементов в УВ используют тиристоры. В схемах УВ обычно используют естественную коммутацию, т. е. запирание тиристоров происходит под действием сетевого напряжения.

Регулирование выходного напряжения осуществляется путем задержки включения тиристоров относительно моментов времени их естественного отпирания (фазовое регулирование). Угол задержки отпирания тиристоров называют углом регулирования α. Формирование управляющих импульсов и изменение α осуществляется системой управления выпрямителем.

Работу однофазного УВ рассмотрим на примере однотактной двухполупериодной схемы (рис. 1.17а). При активной нагрузке ключ К замкнут. На интервале 0 p/3 в кривой ud появляются участки отрицательной полярности. Если Ld ® ¥ — эти участки продолжаются до моментов очередного отпирания тиристоров. В этом случае максимальный угол управления αмах= p.

В регулируемом электроприводе постоянного тока выпрямитель работает на индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (рис. 1.23а). Здесь Еd — э.д.с. вращения двигателя.

Тиристоры выпрямителя могут быть открыты подачей управляющих импульсов в моменты времени, когда u2> Ed. В зависимости от параметров нагрузки и величины α может иметь место режим прерывистого тока (рис. 1.23б) и режим непрерывного тока. В режиме непрерывного тока (при достаточно большом значении Ld) форма выходного напряжения ud совпадает с формой выходного напряжения УВ при работе на индуктивную нагрузку.

Инверторы, ведомые сетью

Инвертор – устройство, предназначенное для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т. е. выполняет функцию, обратную той, которую выполняет выпрямитель.

На практике часто возникает задача чередования режимов выпрямления и инвертирования. Эти режимы могут быть реализованы в одном и том же преобразователе: если энергия передается от сети к нагрузке, то преобразователь является управляемым выпрямителем; если энергия передается от источника постоянного тока в сеть, то преобразователь называют ведомым сетью инвертором.

Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Ud · Id преобразователя. Поскольку ток Id не может изменить своего направления из-за односторонней проводимости тиристоров, изменение знака мощности достигается за счет изменения знака напряжения Ud. Для этого необходимо обеспечить увеличение угла управления до α > 90 0 . Рассмотрим сначала кратковременный режим инвертирования (ключ К на рис. 2.1 замкнут).

Пусть в некоторый момент времени угол управления скачком изменяется от a1 0 до a2> 90 0 . Тогда, благодаря большой постоянной времени нагрузки, ток id в течение некоторого времени (до момента wtэм) протекает в прежнем направлении при отрицательной полярности напряжения U (рис. 2.2). В момент wtэм энергия в индуктивности полностью израсходована и ток id= 0. При wt > wtэм имеет место режим прерывистого тока, при котором Ud= 0. В течение интервала с отрицательным значением Ud энергия, накопленная в индуктивности отдается в сеть – имеет место кратковременный режим инвертирования.

Если на стороне нагрузки имеется дополнительный источник э.д.с. Ed> udмах (ключ К на рис. 2.1 разомкнут), который постоянно обеспечивает режим непрерывного тока при отрицательной полярности Ud, преобразователь работает в режиме ведомого сетью инвертора (рис. 2.3).

В инверторном режиме для характеристики управления используют угол опережения b = p — a. Минимальный угол опережения должен удовлетворять условию bмин> tвос, где tвос – время восстановления запирающих свойств тиристора. Если это условие по каким-то причинам не выполняется, происходит опрокидывание инвертора. Это аварийный режим, когда открыты оба тиристора, через которые протекает ток короткого замыкания.

Неуправляемый выпрямитель трехфазного тока


С нулевым выводом

На рис. 4.1 приведена трехфазная нулевая неуправляемая схема выпрямления. При замене в схеме диодов на тиристоры получается управляемый выпрямитель.

В схему входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток соединены с анодами 3-х вентилей. Нагрузка включается между общей точкой соединения катодов вентилей и нулевым выводом вторичных обмоток трансформатора.

На рис. 4.1,б показана трехфазная система вторичных напряжений трансформатора относительно нулевой точки (система фазных напряжений uа, ub, и uc). Из-за способа подключения нагрузки вентили могут проводить ток только при положительной полярности вторичных напряжений.

Рис. 4.1. Схема трехфазного нулевого выпрямителя (а) и временные

диаграммы, характеризующие работу схемы при активной нагрузке (б – ж)

Но в открытом состоянии может находиться только один из вентилей, тот вентиль, для которого фазное напряжение выше, чем у двух других. На интервале υ1 – υ2 в открыт вентиль В1, на интервале υ2 – υ3 открыт вентиль В2, на интервалеυ3 – υ4 – В3, затем вновь вентиль В1 и т.д. Следовательно, интервал проводимости каждого вентиля составляет ψ = (рис.4.1,б). Моменты υ1, υ2, υ3, соответствующие точкам пересечения двух синусоид вторичных напряжений, являются точками (моментами) естественного отпирания очередного вентиля.

В открытом состоянии вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке и на ней действует однополярное пульсирующее напряжениеu ud, состоящее из участков фазных напряжений ua, ub, uc (рис.4.1,в).

При работе выпрямителя на чисто активную нагрузку, кривая тока ιd = ud/3 имеет ту же форму, что и напряжение ud (рис. 4.1,в). Кривые анодных токов соответствуют указанной очередности отпирания вентилей (рис. 4.1,г-е).

Исходными данными для расчета схемы, как и при расчете однофазных выпрямителей, являются значения Ud, Id (Rн), U1.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud определяют по заштрихованной площадке (рис. 4.1,в)

где U2 – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Данная схема имеет лучшие показатели по соотношению величин Ud и U2 по сравнению с однофазной схемой. Лучшие показатели имеет трехфазная схема и в отношении коэффициента пульсации и частоты пульсаций выпрямленного напряжения:

Средний ток вентиля Ia и максимальный ток Iamax, соответственно равен

где Id = Ud / Rн – среднее значение тока нагрузки.

Напряжение на вентиле зависит от разности потенциалов между анодом и катодом. Рассмотрим кривую обратного напряжения на вентиле В1 (рис. 4.1,ж). Изменение потенциала анода В1 определяется фазным напряжением uа, а катода – изменением фазного напряжения ub (при проводящем вентиле В2) или изменением фазного напряжения uc (при проводящем вентиле В3). Следовательно, обратное напряжение ub1 состоит из участков кривых линейных напряжений uba и uca, поэтому максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения трансформатора

Токи вторичных обмоток вентильного трансформатора ι, ι2b, ι определяются соответствующими токами вентилей, т.е. ι2 = ιа. Кривые анодных токов вентилей содержат постоянную составляющую, равную Id / 3. Протекая через вторичные обмотки трансформатора, постоянная составляющая создает в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора, из-за чего увеличивается намагничивающий ток трансформатора.

Постоянная составляющая тока не трансформируется в первичную обмотку, поэтому мгновенные значения фазных токов первичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, определяются соотношениями:

Определим действующие значения токов I1 и I2 при активно-индуктивной нагрузке выпрямителя (L → ∞), характерной для выпрямителей средней и большой мощности

где ι1 – соответствует (4.5).

Расчетные мощности первичных и вторичных обмоток трансформатора и типовая мощность всего трансформатора равны:

Наличие постоянной составляющей является одним из существенных недостатков трехфазной схемы с нулевым выводом, поскольку может привести к насыщению магнитопровода. Во избежание насыщения, приходится или увеличивать сечение магнитопровода (а, следовательно, и габариты трансформатора) или использовать более сложную конструкцию трансформатора. Например, на каждом стержне магнитопровода располагают две вторичные обмотки, включенные таким образом, что при протекании тока через них возникает разнонаправленный магнитный поток. При этом постоянная составляющая потока в каждом стержне магнитопровода трансформатора (поток вынужденного подмагничивания) будет отсутствовать.Все это ограничивает применение данной схемы в установках большой мощности.

Лучшие результаты дает применение трехфазной мостовой схемы, в которой, как составная часть используется трехфазная нулевая схема.

Последнее изменение этой страницы: 2020-08-01; Нарушение авторского права страницы

Diplom Consult.ru

Каскадные схемы выпрямления

В системах электропитания достаточно широкое применение на­ходят так называемые каскадные (комбинированные) схемы выпрям­ления, позволяющие обеспечить повышение частоты первой гармони­ки пульсации и тем самым уменьшить размеры сглаживающих филь­тров. Каскадные схемы по существу представляют собой комбина­цию нескольких классических схем выпрямления, включенных меж­ду собой по выходу параллельно или последовательно и работающих на общую нагрузку. Причем выходные напряжения этих классиче­ских схем сдвинуты друг относительно друга по фазе. Кроме того, применение каскадных схем позволяет в отдельных случаях умень­шить потери в вентильном комплекте по сравнению с классическими схемами.

Примером каскадной схемы может служить схема выпрямления, представленная на рис. 3.8,а (схема Кюблера). Эта схема выпрямле­ния представляет собой два классических трехфазных однотактных выпрямителя, выходные напряжения которых и’01 и u»01 сдвинуты друг относительно друга на угол 2π/6. Для того чтобы обеспечить этот сдвиг по фазе, вторичные обмотки трансформатора Т одного классического выпрямителя при соединении по схеме звезда С вы­веденной нейтралью объединяются между собой концами (верхняя обмотка на рис. 3.8,а), тогда как для второго выпрямителя-—■ на­чалами. Нейтральные точки двух этих выпрямителей соединяются между собой, образуя отрицательный полюс выходного напряжения uo1 выпрямителя.

Работа неуправляемого выпрямителя на нагрузку индуктивного характера.

Рассмотрим влияние сопротивлений силовой цепи выпрямителя на среднее значение выходного напряжения на примере однофазной, однотактной, двухполупериодной схемы выпрямления (рис. 3.9,а).

Выясним сначала влияние индуктивности LK на работу выпря­мителя, предполагая, что диоды идеальные, активное сопротивле­ние выпрямителя Ra равно нулю, а индуктивность обмотки дросселя L —> со.

Индуктивность LK в цепи каждой из фаз вторичной обмотки трансформатора представляет собой индуктивность фазы вторичной обмотки (обусловленную полями рассеяния) и индуктивность пер­вичной обмотки (обусловленную полями рассеяния), пересчитанную в цепь вторичной обмотки.

Наличие индуктивности LK в цепи каждой из фаз вторичной об­мотки трансформатора приводит к тому, что диоды не могут пере­ключаться мгновенно, как это предполагалось ранее при анализе ра­боты идеальных выпрямителей. Процесс переключения (перекрытия фаз) начинается с момента равенства ЭДС фаз вторичных обмоток трансформатора (с момента w\t = 0 на рис. 3.9,6) и заканчивается при снижении до нуля тока фазы, завершающей работу (фазы а). Для интервала переключения (при принятом допущении L> со) справедливы следующие соотношения:

Таким образом, до начала переключения (w\t Стр 1 из 5 1 2 3 4 5

4.7. Управляемый однофазный выпрямитель с нулевым выводом

При регулировании выпрямленного напряжения путем изменения моментов отпирания управляемых вентилей возникают искажения напряжений и токов обмоток трансформатора и цепи нагрузки, а также это приводит к сдвигу фаз основных гармоник тока по сравнению с неуправляемым режимом.

На рис. 4.15 представлены временные диаграммы напряжений и токов идеальной (га = 0, г|]р = 0, Ьа = 0) однофазной схемы с нулевым выводом при активной нагрузке для произвольного значения угла регулирования а, определяемого положением отпирающих импульсов управляемых вентилей /У1 и /у2 по отношению к ЭДС полуобмоток трансформатора в и е2. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае равно:

Каждый электрик должен знать:  Светодиодные и уличные светильники

Для нерегулируемого режима , поэтому при а Ф О

Полученное выражение представляет собой регулировочную характеристику выпрямителя и(/=/'(а). Для данного режима среднее значение выпрямленного напряжения будет равно нулю при а = л.

Рис. 4.15. Эквивалентная схема (а) и временные диаграммы (6) управляемого однофазного выпрямителя с нулевым выводом при активной нагрузке

В отличие от нерегулируемого режима в рассматриваемой схеме напряжение на вентиле на интервале а перед отпиранием тиристора имеет положительные значения. Прямое напряжение на вентиле будет

максимальным, равным Ет, при

Обратное напряжение на вентиле (после перехода тока через нуль) на интервале а определяется отрицательным значением анодной ЭДС того же вентиля. С момента вступления в работу очередного вентиля обратное напряжение определяется результирующей ЭДС (е/ — е2) вторичной обмотки трансформатора. Обратное напряжение на вентиле будет максимальным, равным 2Ет, при

Среднее значение выпрямленного тока

Среднее значение тока вентиля

Действующее значение тока вентиля (или вторичной обмотки трансформатора)

где — коэффициент формы кривой тока вентиля;

С увеличением угла регулирования коэффициент формы кривой тока растет, что необходимо учитывать при проектировании стабилизированных выпрямителей. Расчетные мощности обмоток и типовую мощность трансформатора определяют, исходя из неуправляемого режима как наиболее тяжелого.

При активно-индуктивной нагрузке схема может работать в двух режимах: в режиме непрерывного тока нагрузки (А. = л) и в режиме прерывистого тока нагрузки (А,

Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы

Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока. В этом уроке мы рассмотрим однофазное выпрямление и все его формы.

Описание

Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.

Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 o . Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения, тока или напряжения, вдоль оси y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A MAX , V MAX или I MAX ), указывающее наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем снова вернуться к нулю. Для синусоидальной формы волны есть два максимальных или пиковых значения, одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух ценностей есть еще две, которые представляют интерес для нас в целях исправления. Один — это Среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы сигнала получается путем добавления мгновенных значений напряжения (или тока) в течение одного полупериода и обнаруживаются как: 0,6365 * V P . Обратите внимание, что среднее значение за один полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V P.

Принцип работы

Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.

Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.

Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.

Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 o, как показано на рисунке.

Полуволновое выпрямление

Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.

Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.

Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.

Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.

Таким образом, во время положительного полупериода A AVE составляет 0,637 * A MAX . Однако, поскольку отрицательные полупериоды удалены из-за выпрямления диодом, среднее значение в течение этого периода будет нулевым, как показано.

Среднее значение синусоиды


Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:

V AVE = 0,318 * V MAX

I AVE = 0,318 * I MAX

Обратите внимание, что максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:

V AVE = 0,45 * V RMS

I AVE = 0,45 * I RMS

Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A MAX или 0,45 * A RMS, как показано.

Полноволновое выпрямление

В отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выхода. Это происходит потому, что двухполупериодный выпрямитель в основном состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V IN и V OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V IN диоды D 1 и D 4 смещены в прямом направлении, а диоды D 2 и D 3 — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 1 — A — R L — B — D 4 и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V IN диоды D 3 и D 2 смещены в прямом направлении, а диоды D 4 и D 1 — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 3 — A — R L — B — D 2 и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.

Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Форма волны на выходе выпрямителя

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением. Мы помним сверху, что среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды. Однако, в отличие от описанного выше полуволнового выпрямления, двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

Здесь мы можем видеть, что для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:

V AVE = 0,637 * V MAX

I AVE = 0,637 * I MAX

Как и прежде, максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

V AVE = 0,9 * V RMS

I AVE = 0,9 * I RMS

Затем мы можем видеть, что двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A MAX или 0,9 * A RMS.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR 1 и SCR 4 запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR 3 и SCR 4 также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 o после SCR 1 и SCR 4 .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V MAX / π до -V MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α o, среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 o среднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Резюме однофазного выпрямления

Мы увидели в этом уроке об однофазном выпрямлении, что однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.

Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.

Тогда независимо от того, как мы это делаем, преобразование синусоидального сигнала переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Каждый электрик должен знать:  Инерция электрона эксперименты Толмена–Стюарта и Мандельштама–Папалекси

Управляемые выпрямители

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ.

3.1 Тиристоры в управляемых выпрямителях.

В промышленном и транспортном электроприводе, в мощных электротермических и электротехнологических установках находят применение управляемые выпрямители (УВ), в которых в отличие от неуправляемых выпрямителей, имеется возможность изменения и регулирования параметров выходной энергии (напряжения, тока). Регулирование их выходного напряжения может выполняться различными способами: с помощью регулируемых трансформаторов, с помощью резистивных или емкостных делителей и с помощью управляемых вентилей – тиристоров. Последний способ в настоящее время используется наиболее широко.

Тиристоры – это управляемые полупроводниковые приборы диодного типа (рис.3.1.1), имеющие три p-n перехода. Крайняя P-область называется анодом, другая крайняя N-область – катодом, а вывод от одной из центральных областей называется управляющим электродом (УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на приборы с катодным управлением (рис. 3.1.1,а) и приборы с анодным управлением (рис. 3.1.1,в). ВАХ тиристора (рис. 3.1.2) отличается от ВАХ диода только в области прямых напряжений тем, что тиристор включается в проводящее состояние подачей тока Iу на управляющий электрод. Включение тиристоров в УВ «по аноду» подачей напряжения U>Uвкл нежелательно из-за возможного повреждения прибора. После включения УЭ теряет управляющие свойства и, следовательно, не в состоянии выключить прибор. Для выключения тиристора необходимо либо понизить ток до значения I 0 они работают в режиме прерывистого тока. С учётом (2.5.2) и (3.2.1) нормированное уравнение и график регулировочной характеристики УВ при активной нагрузке имеют вид (рис. 3.3.3)

Следует отметить, что с увеличением угла включения a тиристора имеет место быстрый рост коэффициента пульсаций.

Рис. 3.3.1. Эквивалентная схема (а), и диаграммы (б, в,г), выпрямленного напряжения U0,a для трехфазной однотактной схемы с активной нагрузкой при различных значениях угла a включения тиристоров.

Рис. 3.3.3. Регулировочные характеристики выпрямителей при работе на активную нагрузку (а), влияние угла включения на коэффициент пульсации (б).

3.4 Управляемые однотактные выпрямители

с активно-индуктивной нагрузкой.

При составлении эквивалентной схемы (рис. 3.4.1,а) использовали предпосылки, изложенные ранее для неуправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой (раздел 2.6). Под действием ЭДС ток через вентиль протекает и тогда, когда фазная ЭДС вентильной обмотки трансформатора е2 изменила направление. Поэтому при углах включения тиристора a>aкр выпрямленное напряжение u’0,a на входе фильтра имеет участки отрицательного напряжения (рис.3.4.1,в). На этих участках нагрузка является источником энергии, т. е. возвращает ранее накопленную в индуктивности энергию обратно в

Рис. 2.4.1. Эквивалентная схема (а), волновые диаграммы напряжений U0,a и тока i0,a (б, в) регулировочная характеристика (г) и коэффициент пульсации Кп(1) (д) управляемого трехфазного одноактного выпрямителя при активно – индуктивной нагрузке. Режим непрерывного тока (pm2wl0 >>R0)

питающую сеть. Часть этой энергии теряется в активном сопротивлении R0. При достаточно большой индуктивности L0 (когда pm2wL0>>R0) ток i0,a нагрузки

Рис. 3.4.1. Эквивалентная схема(а), волновые диаграммы напряжений u0,a и тока i0,a (б, в), регулировочная хар-ка (г) и коэффициент пульсации (д), управляемого трехфазного однотактного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. Режим непрерывного тока .

непрерывен и ток через управляемый вентиль протекает всегда 1/m2 часть периода. В режиме непрерывного тока с учётом (2.5.2) и (3.2.1) уравнение и графики регулировочной характеристики при m2³2 и р=1 имеют вид (рис. 3.4.1,г)

Если запас энергии в магнитном поле индуктивности L0 недостаточен, то напряжение U0,a успевает упасть до нуля раньше, чем отпирается очередной тиристор (рис. 3.4.2,а). Поэтому регулировочная характеристика УВ становится более пологой и описывается уравнением:

где l — угол продолжительности тока вентиля, зависящий от отношения . Эффект коммутации за счет индуктивности рассеяния LS обмоток преобразовательного трансформатора как и в неуправляемом выпрямителе (см. раздел 2.8) уменьшает (рис. 3.4.2, б) на интервале угла коммутации g напряжение U0,a до значения .

При этом уменьшается также среднее значение выпрямленного напряжения.


Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле

За счет угла коммутации g коэффициент пульсаций дополнительно возрастает.

В управляемых выпрямителях при работе как на активную, так и на активно-индуктивную нагрузку угол a включения оказывает влияние на соотношение между активной и реактивной мощностями. Как можно видеть из рис. 3.4.1, б и в, импульс тока работающего вентиля смещен по фазе относительно фазной ЭДС на угол a (или на угол a+0.5g с учетом эффекта коммутации). Поэтому основная гармоника этого тока, а значит и фазный ток i1,1 выпрямителя (рис. 3.4.3, а), отстает относительно сетевого напряжения U1 на такой же угол (a+0.5g).В результате управляемый выпрямитель нагружает сеть реактивной мощностью как потребитель, обладающий коэффициентом фазового сдвига.

где PC и QC­ соответственно активная и реактивная мощность, потребляемая выпрямителем из сети.

В случае работы выпрямителя на индуктивную нагрузку для улучшения коэффициента фазового сдвига в схему включают нулевой или ответвляющий диод VD0 (рис. 3.2.2,б, д и рис. 3.4.4,а). Когда ЭДС е2 становится меньше нуля, то работающий тиристор закрывается и блокировочный диод VD0 открывается. При этом ток в дросселе L0 (совпадающий с током нагрузки i0,α) не прерывается и протекает по контуру L0-R0-VD0. При открывании следующего тиристора нулевой диод VD0 закрывается. Заштрихованные участки кривой тока i0,α (рис. 3.4.4,в) соответствуют току iV0 нулевого диода.

За счёт нулевого диода в кривой u0,a (рис.3.4.4 б) исчезают отрицательные площадки и поэтому регулировочная характеристика и зависимость коэффициента пульсации от угла a становятся такими же, как и при активной нагрузке (см. раздел 3.8).

Нулевой диод улучшает также коэффициент сдвига фазы до значения .

1. Устройство, вольтамперная характеристика и принцип действия тиристора.

2. Разновидности тиристоров и их характеристики.

3. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0 ; a=60 электрических градусов в трёхфазном управляемом выпрямителе (m3=3 ; p=1).

4. Какие факторы определяют значение коэффициента мощности управляемого выпрямителя.

5. Почему коэффициент мощности управляемого выпрямителя ниже, чем у неуправляемого.

6. Как влияет ответвляющий диод на составляющие полной мощности УВ и почему.

3.5 Управляемые двухтактные выпрямители.

Трёхфазная двухтактная (мостовая) схема выпрямления (неуправляемая или управляемая) может быть представлена последовательным соединением двух однотактных схем, питаемых от одной группы вентильных обмоток трансформатора (см. раздел 2.5, рис.3.5.1а). Как и в однотактном УВ возможны режимы непрерывного и прерывистого тока (рис.3.5.1,б, в), причём критический угол включения равен

Уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для схемы (рис.3.5.1,а)

при 0£a£aкр. и при a>aкр. (3.5.2)

Частота пульсаций fп(1) основой гармоники выпрямленного напряжения, как и в неуправляемом

Рис. 3.5.1. Эквивалентная схема трехфазного двутактного симметричного УВ (а) графики (б) напряжений и и график выпрямленного напряжения (в) для углов регулиро­вания , , , график (г) зависимости .

Рис. 3.5.2. Эквивалентная схема трехфазного двухтактного несимметричного УВ (а), графики (б) напряжений и , график выпрямленного напряжения (в) для углов регулирования , , , график (г) зависимости .

выпрямителе, равна m2pf1=6f1 (рис.3.5.1,в). Зависимость (рис.3.5.1,г) коэффициента пульсаций Кп(1) от угла регулирования α свидетельствуют о быстром росте Кп(1) с увеличением a. Для однофазной двухтактной схемы УВ уравнение регулировочной характеристики

При индуктивной реакции нагрузки (pm2wL0>>R0) уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для симметричных двухтактных выпрямителей описывается уравнением (3.4.1).

Несимметричный мостовой выпрямитель (рис. 3.5.2,а) характеризуется тем, что пульсации выпрямленного напряжения при a>0 имеют частоту основной гармоники, равную 3f, что видно из осциллограмм (рис. 3.5.2,в.) Уменьшение частоты пульсации приводит к необходимости применения более мощных фильтров. Зависимости коэффициента пульсации (рис. 3.5.2,г) от угла регулирования для основной (3f) и второй (6f) гармоник свидетельствуют о более медленном росте Кп(2) в сравнении с ростом Кп(1). Уравнение регулировочной характеристики в нормированном виде для схем рис. 3.5.2,а и рис. 3.2.2,г при активном или индуктивном характере нагрузки описывается выражением (3.5.3). По сравнению с симметричным двухтактным трёхфазным УВ несимметричный двухтактный УВ потребляет от питающей сети ток, содержащий как нечётные, так и чётные гармоники. Это приводит к ухудшению мощности искажений.

Преимуществом несимметричного двухтактного УВ является меньшее значение потребляемой из сети реактивной QS мощности.

1. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0, a=60 электрических градусов в трёхфазном симметричном и несимметричном двухтактном выпрямителе.

2. Какие достоинства и недостатки у несимметричных схем управляемых тиристорных выпрямителей.

3. Уравнения регулировочных характеристик трёхфазных симметричных и несимметричных УВ при различных характерах нагрузки.

3.6 Повышение коэффициента мощности управляемых выпрямителей

Для УВ средней и большой мощности характерен режим, когда потребляемый ими ток i1 (рис. 3.4.3,б) несинусоидален, а его первая (основная) гармоника i1,1 смещена относительно фазного напряжения сети u1 на угол j

Это приводит к наличию в УВ помимо активной (полезной) мощности

еще и реактивной мощности

а так же так называемой мощности искажений

которая создаётся высшими гармоническими составляющими тока i1. Их удельный вес характеризуют коэффициентом искажения тока

где I1,1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока i1, а I1 – действующее значение самого тока.

Полная (вольтамперная) мощность УВ

Из трёх составляющих этой мощности лишь активная мощность является полезной. Поэтому отношение РС/SC характеризует УВ как сетевую нагрузку и называется коэффициентом мощности КМ. Воспользовавшись уравнениями (3.6.2), (3.6.5), (3.6.6), получим уравнение

в виде произведения коэффициента искажений тока i1 на коэффициент фазового сдвига последнего относительно напряжения U1. Низкие значения КМ из-за сильно искаженной формы тока i1, либо вследствие большого значения угла регулирования a требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, роста сечения проводов и повышения прочности изоляции. Поэтому стандарт IEC-555 МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) ограничивает значение КМ электрооборудования, потребляющего из сети мощность более 300 Вт и имеющего выпрямитель (электробытовые приборы, компьютеры, электронное оборудование, источники питания, электроприводы). Вступающий в действие новый стандарт МЭК IEC ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности КМ потребителей энергии и изделий, выходящих на мировой рынок. В связи с этим задача улучшения качества мощности, потребляемой УВ из сети, становится важной для разработчиков электропитающих устройств промышленного оборудования.

Для уменьшения реактивной мощности QS находят применение схемы с ответвляющим (нулевым) диодом (см. раздел 3.4), основным недостатком этих схем является повышение ТС за счёт увеличения искажениё формы тока i2.

Другими способами уменьшения QС и ТС является установка силовых конденсаторов на входе УВ (рис.3.6.2,а), или

применение фильтрокомпенсирующих устройств (рис. 3.6.1) в виде системы многофазных колебательных контуров, настроенных в резонанс напряжения на частоты наиболее интенсивных гармоник тока i1 (5-ю,7-ю, 11-ю и др.)

Указанные меры лишь частично позволяют улучшить КМ, поэтому регулирование напряжения УВ фазоимпульсным методом на практике осуществляется в сравнительно узких пределах и сочетается с другими методами, в том числе с регулированием напряжения переключением ступеней преобразовательного трансформатора и с применением вольтдобавочных схем.

В ступенчато-управляемых выпрямителях (рис. 3.6.2,б) используются контактные (реле) или бесконтактные (симисторы) устройства, подключающие управляемые вентили к различному числу витков вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (при глубоком регулировании уменьшается amax и, следовательно, уменьшаются QС и ТС).

В схемах с вольтдобавкой (рис. 3.6.2,в) минимальное напряжение на выходе обеспечивается неуправляемым выпрямителем на диодах VD1, VD2, а повышенное напряжение достигается включением тиристоров.

В последнее время в УВ находит применение широтно-импульсный метод (ШИМ) регулирования напряжения, основанный на применении полностью управляемых (запираемых) тиристоров. При ШИМ — управлении осуществляется многократное включение и отключение тиристоров в течение полупериода питающего напряжения с постоянной частотой f, значительно (и в целое число раз) превышающей частоту f1 сетевого напряжения.

Выходное напряжение u0,f состоит в этом случае из высокочастотных импульсов (рис.3.6.2,г) регулируемой длительности Ти, а нормированная регулировочная характе-ристика УВ определяется их скважностью

где — период повторяемости, причём g принимает значения от 0 до 1.

1. Почему в управляемых выпрямителях полная Sc мощность превышает мощность Pн нагрузки.

2. Что такое коэффициент мощности УВ. К каким издержкам приводит работа с низким коэффициентом мощности.

3. Объяснить работу однофазного выпрямителя с нулевым диодом. Почему введение нулевого диода повышает коэффициент мощности.

4. Объяснить принцип действия сетевых фильтрокомпенсирующих устройств.

5. Как изменится мощность искажения Тс, если индук-тивность дросселя фильтра в УВ станет равной нулю.

3.7 Системы управления выпрямителями.

В состав УВ помимо силовой части (рис.3.7.1) входит ещё система управления (СУ),основными функциями которой являются: 1)определение моментов отпирания тиристоров в зависимости от управляющего сигнала Uупр.; 2)распределение сигналов отпирания по фазам для создания симметрии тока в нагрузке ZН; 3)формирование управляющих импульсов необходимой длительности, амплитуды и формы для надёжного включения тиристоров по управляющим электродам последних;

4)осуществление пуска, остановки УВ и защиты от несанкционированных режимов работы. УВ также может иметь контур обратной связи (КОС), на вход которого поступает выходной параметр УВ (напряжение, ток, мощность) для его стабилизации или точного регулирования с помощью СУ.

Системы управления, в которых можно регулировать фазу управляющих импульсов называют ФАЗОИМПУЛЬСНЫМИ. Если угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определённой фазы напряжения питающей сети, то такие СУ называют СИНХРОННЫМИ. При АСИНХРОННОМ фазоимпульсном управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса управления.

Наиболее распространена структурная схема СУ углом включения тиристора (рис.3.7.2,а), использующая вертикальный метод управления. Схема синхронизации СС, вырабатывающая сигналы Uс (рис.3.7.2,б), подключается к питающей сети m1,f1,U1 и обеспечивает синхронизацию частоты следования импульсов управления Uуэ с частотой питающей сети (или частотой следования моментов естественной коммутации кривых выпрямленного напряжения).

Фазосмещающее устройство ФСУ под действием напряжения управления Uупр, проходящего через усилитель УС, производит изменение угла a включения тиристоров в нужных пределах (рис.3.7.2,б). При вертикальном методе управления ФСУ содержит генератор развёртки ГР (чаще всего генератор пилообразного напряжения) и компаратор К. ГР может быть выполнен по схеме с диодным коммутатором, на транзисторе, на интегральном операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и т. п. Компаратор может выполнятся на однопереходном транзисторе, триггере Шмидта, операционном усилителе, логическом элементе и т. п.

Формирователь управляющих импульсов ФУИ служит для выработки сигналов управления тиристоров с требуемыми параметрами. ФУИ подразделяют на транзисторные, тиристорные и оптронные. Некоторые схемы управления углом включения тиристора рассмотрены в /5/.

Цифровая система управления углом a включения тиристора вырабатывает в цифровой форме код фазы управляющих импульсов и преобразует его в фазу импульсов управления. В цифровом фазосмещающем устройстве на рис.3.7.3,а управляющий четырёхразрядный код Ку принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подаётся в параллельном виде на цифровую схему сравнения ЦСС.

Опорный сигнал также представляется в виде кода K0п и формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу «-1» которого подключен мультивибратор МВ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой fмв=32fсети. Начало формирования опорного кода (рис. 3.7.3,б) соответствует моменту естественной коммутации вентилей УВ. Момент поразрядного равенства Ку и K0п фиксируется ЦСС и

Рис. 3.7.2 Структурная схема СУ по вертикальному методу управления (а), временные диаграммы (б)

соответствует углу управления a. При этом на выходе ЦСС формируется логический сигнал 0. Он поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тиристора. Переход к цифровой форме управления
позволяет повысить точность, помехозащищенность и

быстродействие систем управления.

Наиболее эффективным способом улучшения СУ является применение в нем микропроцессоров (программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненных по технологии больших интегральных схем и размещенных на миниатюрном кремниевом кристалле площадью около 30 мм2). Благодаря малым размерам микропроцессор легко встраивается в СУ (рис. 3.7.4), возможности которой в результате существенно расширяются. АЦП1 и АЦП2 преобразуют аналоговые (непрерывные во времени) сигналы задатчика Uзад и обратной связи U­ос в цифровые коды Ni(Uзад) и Ni(Uoc) соответственно.

Последние пересылаются с выходов АЦП в МПК в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т, 3Т. задаваемые таймером. По цифровым кодам, представляющим текущие значения Uoc и Uзад, МКТ рассчитывает (в соответствии с алгоритмом управления и реализующей его программы) сигналы управляющего воздействия и выдаёт их в цифровом виде Ni(Uупр) через выходной порт в ВФИ, активизируя его работу в нужные моменты времени для управления СЧ с целью получения выходного напряжения Uo, a с необходимыми параметрами. Основными достоинствами микропроцессорного управления являются гибкость и универсальность, возможность перестройки алгоритма управления путём изменения обрабатывающей программы, расширение функций СУ, технологичность, высокая надёжность, ремонто­
пригодность.

Мощность сигнала с выхода ФСУ (аналогового, цифрового или микропроцессорного) обычно невелика. ВФИ обеспечивают усиление и формирование импульсов управления по форме, амплитуде и длительности перед их подачей на УЭ тиристора (рис. 3.7.5,а). Диаграмма управления последнего (рис. 3.7.5,д) имеет область гарантированного отпирания, расположенную между граничными кривыми «А» и «В». На диаграмме проводятся линии максимально допустимых значений напряжения Uуэ, доп и тока Iуэ, доп, а также кривая допустимой средней мощности потерь на управляющем электроде. При импульсном управлении допустимая импульсная мощность определяется по формуле:

Если длительность управляющих импульсов t­и

Принцип работы схемы выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой

При работе на нагрузку, потребляющую небольшие токи от выпрямителя, часто используют фильтры, включающие конденсатор; в наиболее простом виде — это С-фильтры. Такие фильтры для выпрямителя представляют емкостную нагрузку, которая заметно изменяет характер процессов в вентильном комплекте.

Рис. 2.1. Однофазный нулевой выпрямитель с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы напряжений и токов выпрямителя (б, в)

При включении выпрямителя рис. 2.1,а напряжение на конденсаторе и нагрузке ud от периода к периоду будет увеличиваться (рис. 2.1,б). На интервалах, когда e2>Ud, например при 0

Добавить комментарий