Однофазные управляемые выпрямители

В большинстве случаев применения выпрямителей приходится ре­шать задачу управления средним значением выпрямленного напряже­ния на нагрузке U_H. Это обусловливается необходимостью стабилиза­ции напряжения на нагрузке при изменении напряжения пита­ющей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке для обеспечения требуемого режима ее работы (напри­мер, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).

Однофазные управляемые выпрямители (УВ) выполняются по схеме с выводом от средней точки трансформатора и мостовой схеме. Рассмотрим принцип дей­ствия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей на примере схемы с выводом от средней точки, а для мостовой схемы укажем лишь ее особенности. При наличии значительной индуктивно­сти нагрузки на выходе управляемого выпрямителя, как правило, включается обратный диод (рис. 7.3).

Дальше рассматриваются управляемые выпрямители, рабо­тающие на нагрузку со значительной индуктивностью, при которой можно считать ток нагрузки идеально сглаженным.

Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на рис. 7.4, поясняют режим работы схемы.

На интервале 0…ωt₁ тиристоры Т1 и Т2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя U_Н = 0 (рис. 7.4,б).

В момент времени ωt₁ от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В резуль­тате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку к напряжению вто­ричной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале ωt₁…π формируется напряжение U_Н (см. рис. 7.4,б), представляющее собой уча­сток кривой напряжения u₂=u₁/n (n– коэффициент трансфор­мации трансформатора).

Рис. 7.3

Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток (рис. 7.4,г). При переходе напряжения питания через нуль (ωt = π) ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор закрывается, а ток нагрузки, поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности, протекает через диод D₀. Вследствие этого ток нагрузки после перехода вторичного напряжения через нуль, перево­дится в цепь диода D₀. Из-за шунтирования диодом выходной цепи выпрямителя в выходном напряжении создаются нулевые па­узы.

Очередной отпирающий импульс подается на тиристор Т2. Отпира­ние этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той же формы, что и в интервале проводимости тиристора Т1. В интер­вале 2π…ωt₂ проводимости тиристора Т2 напряжения двух вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2 на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис. 7.4,ж). Максимальное обратное напряжение на тиристоре U_Tmax= U₂, где U₂=U₁/n – действующее значение вторичного напряжения трансформатора. Дальнейшие процессы в схеме аналогичы рассмотренным.

Потребляемый из сети ток i₁ является переменным с практически прямоугольной формой и амплитудой , где I_Н – ток нагрузки. Первая гармоника потребляемого тока i₁(1) отстает от напря­жения сети по фазе (рис. 7.4,а). Это приводит к потреблению выпря­мителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказыва­ется на энергетических характеристиках схемы.

ж

е

д

г

б

в

а

Рис. 7.4

Фазовое управление тиристором может быть реализовано с помощью фазосдвигающими способами, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно его кривая имеет пилообразную форму) и постоянного напряже­ния сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напря­жений определяет фазу a, при которой вырабатывается импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристо­ра. Изменение фазы a управляющего импульса достигается изменени­ем уровня входного напряжения управления u_вх. Функциональная схе­ма такого управления приведена на рис. 7.5. Временные диаграммы напряжений, поясняющие ее работу, приведены на рис. 7.6.

Рис. 7.5

Рис.7.6

Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения (ГПН) и синхронизированное с напряжением сети с помо­щью устройства синхронизации (УС), подается на схему сравнения (СС), на которую одновременно поступает и входное напряжение U_вх (сигнал управления). Сигнал от схемы сравнения поступает на фор­мирователь импульсов (ФИ), затем на распределитель импульсов (РИ), на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обла­дающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод. Обычно между распределителемимпуль­сов и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис. 7.5 условно показано ломаной стрелкой.

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя яв­ляется его способность изменять среднее значение выпрямленного напряжения при изменении утла a (рис. 7.4).

При a = 0 кривая выходного напряжения U_H соответствует неуправляемому выпрямителю и среднее напряжение на нагрузке максимально. При угле управления a = π, U_H = 0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла a от 0 до 180° осуществляет регулирование напряжения U_H в пределах от максимального значения, равного 0,9U₂, до нуля. Зависимость средне­го напряжения U_H от угла называется регулировочной характеристи­кой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это напряжение на интер­вале a…p соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 7.4б), т. е.

;

,

где U_H.max = 0,9U₂ – среднее значение напряжения на нагрузке при a = 0.

На рис. 7.7 приведена регулировочная характеристика УВ.

Рис. 7.7

Схема однофазного мостового УВ показана на рис. 7.8.

Рис. 7.8

Режим работы и регулировочные характеристики мостового УВ такие же, что и однофазного выпрямителя с выводом от средней точки. Различие проявляется в форме кривой обратного на­пряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется на­пряжением u₂, а в схеме с нулевым выводом – напряжением 2u₂. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение, вдвое меньшее, чем в схеме с выводом от средней точки. Формы кривых напряжений и токов в схеме однофазного мостового выпрямителя даны на рис. 7.9.

а

б

в

г

д

е

ж

Рис. 7.9

При α = 0 все получен­ные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя.