Работа однофазных вентильных схем

1. Однополупериодная схема выпрямления

2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

3. Работа схемы рис.3 на активную нагрузку при углах управления

1. Однополупериодная схема выпрямления

Рассмотрим простейшую схему выпрямления тока.

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б)

В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток - прямым током (рис.1).

В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток . Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток – обратным током.

Обозначим через сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где

- падение напряжения в вентиле;

- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.

В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где - обратное напряжение на вентиле.

Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде

,

а в непроводящем полупериоде

.

В любой вентильной схеме выпрямленный ток имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей содержит переменную составляющую . Переменная составляющая представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Для схемы рис.1 примем следующие обозначения:

– мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора.

Мгновенное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора

(1)

где и – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, и – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной.

Рис.2. Кривые токов и напряжений в схеме рис.1

Мгновенное значение выпрямленного тока

(2)

В первом полупериоде

(3)

;

;

;

.

Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости.

(4)

откуда

(5)

Так как обычно напряжение сетевое задано, коэффициент трансформации

Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока

(6)

Амплитуда тока через вентиль

(7)

Амплитуда обратного напряжения

(8)

По полученным значениям

из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем (фирмой).

Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока.

Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы [1,2,3,4].

2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.

В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис.3,а, при этом подразумевается, что в схемах рис.3,а и рис.3,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.

Рис.3. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой

Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

(9)

Действующие значения напряжения через коэффициент схемы

; ;

(10)

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока через один вентиль

(11)

Амплитуда тока вентиля

(12)

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

,

,

а его амплитуда

(13)

Мгновенное значение первичного тока

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

(14)

Мощность трансформатора

(15)

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .

Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

(16)

тогда мощность трансформатора

(17)

Амплитуда анодного тока вентиля .

Остальные параметры вентилей такие же, как и при .

Рис.4. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10

3. Работа схемы рис.3 на активную нагрузку при углах управления

Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля подается управляющий импульс (рис.5). Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений

двух вторичных полуобмоток.

Рис.5. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле

Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент

.

Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент

он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.

Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ( ), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.

Из рис.5 видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться.

Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:

(18)

Обозначив через найденное по выражению (9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя ( ), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:

(19)

Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).

Среднее значение выпрямленного тока

(20)

В соответствии с (19) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля.

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.

Рис.6. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область на рис.6 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения

.

Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При

режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 на рис.6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М.Основы преобразовательной техники. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с.

2. Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.

3. Зиновьев Г.С. Основы преобразовательной техники. – Новосибирск: НЭТИ, 1981. – 115 с.

4. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.

Контрольные вопросы

1. За счет чего изменяется величина тока через вентиль в однополупериодной схеме с и ?

2. Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?

3. Когда применять уравнения граничных кривых регулировочной характеристики?

4. Чем обусловлена разница в мощности трансформатора при активной и активно-индуктивной нагрузке?

5. Два выпрямителя, показанные на рис.1 и рис.3 имеют одно и то же среднее напряжение на выходе

.

Сопоставить токи нагрузки диодов и обратные напряжения, если известно, что

,

.

Ответ:

1) , . 2) , .

6. Для схемы рис.3 найти разницу между амплитудами (анодного) нагрузочного тока вентиля при активной и индуктивной нагрузке, если известно, что

,

.

Ответ:

5,7 А.

7. Найти мощность трансформатора схемы рис.1 и рис.3, если известно, что

,

.

Ответ:

5 кВА.

Лекция No5

Работа однофазной мостовой схемы выпрямления

1. Неуправляемая схема выпрямления

2. Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования

3. Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля,

1. Неуправляемая схема выпрямления

Пусть имеем неуправляемую мостовую двухтактную схему рис.1.

Рис.1. Двухполупериодная мостовая схема

Как видно из рис.1 вентили включаются так, что в первом полупериоде ток протекает через вентили 1 и 3, а во втором полупериоде ток протекает через вентили 2 и 4.

Форма кривых выпрямленного, фазных и анодных токов зависит от индуктивного сопротивления . Кривые токов и напряжений при приведены на осях 2,3,4,5 и 6 рис.2.

Аналогично рассмотренной ранее однотактной схеме имеем

, .

Амплитуда обратного напряжения

.

Ток вторичной обмотки трансформатора равен

.

Поэтому действующие значения токов обеих обмоток равны:

, .

Мощность первичной и вторичной обмоток, а также типовая мощность трансформатора

.

Рис.2. Кривые токов и напряжений двухтактной схемы

Так как кривые анодных токов представляют полусинусоиды, они содержат постоянные составляющие, первые гармоники и гармоники с четными порядковыми номерами

Кривые токов при

приведены на осях 7, 8 и 9 рис.2.

Действующие значения токов первичной и вторичной обмоток при

.

Мощность трансформатора

.

Амплитуда анодного тока вентиля

.

2. Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования

Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Отличие заключается только в том, что амлитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

Рис.3. Однофазный мостовой выпрямитель

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

· среднее значение выпрямленного напряжения

;

· максимальное значение обратного напряжения на вентилях

;

· максимальное значение тока вентиля

;

· среднее значение тока вентиля

;

· действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора

; ; .

Однофазная мостовая схема, работающая с углом , имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.

Среднее значение выходного напряжения:

· при активной нагрузке (рис.2, кривая 1)

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ;

· при активно-индуктивной нагрузке, когда или имеет такое значение, что выпрямленный ток непрерывен (рис.2, кривая 2),

.

Максимальные значения напряжений на вентилях:

· при активной нагрузке

, ;

· при активно-индуктивной нагрузке

, .

Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке

.

3. Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля,

Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени .

При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю.

При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях , равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда или ( ). В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности , а постоянная – на сопротивлении .

Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол относительно моментов их естественного включения ( ), длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети.

При ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом , прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол . Сдвиг тока относительно напряжения на угол приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения (рис.4).

Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от до , среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле

(1)

Согласно (1) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при . В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1, 2].

Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на рис.5 кривая 2.

Рис.4. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и ( )

Рис.5. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Если величина невелика и такова, что энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом . Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис.6).

Рис.6. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов

При одинаковых значениях угла ? среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку.

Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис.5.

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

Очевидно, что чем больше угол ?, тем больше должна быть индуктивность , чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током . Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической.

При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла , индуктивность обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.

Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения

,

характеризующегося углом

.

Пока

,

режим непрерывен, а при

ток имеет прерывистый характер.

В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Ток вентиля в прерывистом режиме

.

Из последнего выражения видно, что когда , ток , т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол [1, 2].

Обозначив угол протекания тока через вентиль равным и подставляя в выражение

,

получим уравнение

,

дающее зависимость между углами и .

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях

.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.

2. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С., Литвинский А.Н. Характеристики и защита полупроводниковых преобразователей/ – Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 96 с.

Контрольные вопросы

1. Что такое зона прерывистых токов и от параметров схемы она зависит?

2. Что нужно сделать в схеме, чтобы уменьшить зону прерывистых токов?

3. Каким выражением описывается зона прерывистых токов и чем отличается от зоны непрерывных токов?

4. Где может располагаться регулировочная характеристика с конечными значениями и ?

5. Найти точку «С» регулировочной характеристики с углом нагрузки соответствующую максимальномк углу управления .

Ответ:

.

6. Тоже, что и задание 5, но при .

Ответ:

.

7. Найти ЭДС преобразователя при нагрузке с и , .

Ответ:

143 В.

8. Найти действующее напряжение на вторичной обмотке вентильного трансформатора, если .

Ответ:

198 В.

Лекция No6

Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой

1. Процессы в схемах с углом

2. Двухполупериодная мостовая вентильная схема с противо-ЭДС

1. Процессы в схемах с углом

В однофазной мостовой схеме расчетная мощность трансформатора имеет те же параметры, что и мощность в однофазной двухполупериодной со средней точкой

.

На рис.1 изображено синусоидальное напряжение источника и напряжение на нагрузке для случая отпирания управляемых вентилей в момент .

Примем индуктивность настолько большой, что ток нагрузки до момента отпирания следующей пары вентилей не успевает пройти через нуль. Когда ток через нуль не проходит, он нарастает от интервала к интервалу и устанавливается в течение ряда периодов.

Рис.1. Кривые напряжений

Управляемые вентили в выпрямителе действуют как периодические ключи, которые от полупериода к полупериоду переключают напряжение источника. С учетом их действия напряжение на нагрузке в течение n-го полупериода будет равно [1, 2]

(1)

Произвольный момент времени может быть определен по соотношению

(2)

где величина t₁ изменяется от нуля до .

Очевидно также, что

(3)

Из сопоставления выражений (2) и (3) вытекает соотношение

или

.

Нетрудно видеть, что для любого целого числа n выполняется условие

,

следовательно,

(4)

Дифференциальное уравнение (4) позволяет найти ток нагрузки внутри любого интервала.

Общий интеграл уравнения имеет вид