Принципы фазового управления преобразователями

Основным принципом управления преобразователями (выпрямителями и инверторами) является регулирование момента открытия вентилей (тиристоров, мощных транзисторов).

Тиристор может быть открыт при выполнении двух условий:

1. при наличии положительного потенциала на аноде;

2. при подачи на управляющий электрод отпирающего импульса.

Если тиристор включен в цепь переменного напряжения, то его анод в течение одного полупериода имеет положительный потенциал, и он может быть открыт с началом положительной полуволны напряжения. Момент отпирания тиристора при положительной полуволне можно регулировать смещением по фазе подачи отпирающего импульса. Смещение по фазе определяется углом , а само регулирование угла отпирания тиристора называется фазовым управлением.

Рис.2.4 Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя на тиристорах

Рассмотрим использование принципа фазового управления на примере однофазного мостового выпрямителя, рис.2.4. Фазовое управление применяется для регулирования величины выпрямленного напряжения , которое зависит от угла управления (угла открытия вентилей).

Для согласования величин входного и выходного напряжений выпрямитель часто подключают к сети переменного тока через трансформатор TV. Для регулирования напряжения в мостовой схеме выпрямителя вместо обычных вентилей (диодов) ставят управляемые вентили (тиристоры). Комплект тиристоров мостовой схемы обозначен как VST, см.рис.2.4.

Для положительной полуволны выходного напряжения трансформатора полярность обозначена без скобок, а при отрицательной – в скобках. С приходом положительной полуволны могут быть открыты вентили VS1, VS2, что обеспечит протекание тока через нагрузку слева направо. В течение второго, отрицательного полупериода, ток может проходить по цепи от положительного полюса (в скобках) через тиристор VS3, далее по нагрузке и через тиристор VS4, и замкнуться на отрицательный полюс(полярностью в скобках).

Если с началом положительного полупериода сразу подавать отпирающие импульсы α=0 на тиристоры VS1, VS2, то к нагрузке будет приложено в среднем самое большое напряжение . Таким образом, максимум выпрямленного напряжения будет при угле управления . На рис.2.5 изображен график выпрямленного напряжения, соответствующий режиму управления при , это полуволны, расположенные выше оси абсцисс. Угол α отсчитывается всегда от точки естественной коммутации.

Рис.2.5 Графики напряжений двухполупериодного мостового выпрямителя

при

Наибольшее выпрямленное напряжение для однофазного мостового выпрямителя при определяется формулой

Если вместо амплитудного значения напряжения в формуле (2.1) использовать эффективное напряжение (показывают вольтметры), то, учитывая что , получим

При увеличении угла управления, то есть при , пропускаемое на нагрузку напряжение будет уменьшаться. Действительно, с приходом например, положительной полуволны, тиристоры VS1 VS2 остаются закрытыми, так как импульсы управления еще не поступили. Импульсы поступят с некоторой задержкой на величину угла . До этого момента тиристоры остаются запертыми и только к ним, а не к нагрузке, приложено напряжение .

Соответствующие кривые мгновенного напряжения при , прикладываемые к нагрузке, обведены на рис.2.6, а, жирной линией. Площадь, ограниченная этой линией, будет определять среднее значение выпрямленного напряжения . На рис.2.6,а показано, как формируются импульсы управления и их задержка.

С началом каждой полуволны генератором пилообразного напряжения (ГПН) формируются импульсы длительностью, равной одному полупериоду выпрямленного напряжения. Начало пилообразного импульса совпадает с началом полуволны, то есть пилообразное напряжение синхронизируется с напряжением питания .

Рис.2.6 Графики напряжений двухполупериодной мостовой схемы выпрямителя (а), и диаграммы, поясняющие работу фазового регулирования выходного напряжения (б,в)

Синхронизированное с напряжением сети пилообразное напряжение поступает на устройство сравнения, определяющее момент формирования импульса управления . Импульсы управления формируются при каждой полуволне, но поступают то на управляющие электроды(УЭ) тиристоров VS1 VS2, то на УЭ тиристоров VS3 VS4. Соответствующей подачей импульсов управления занимается распределитель импульсов. Среднее выпрямленное напряжение при смещении фазы управления на угол α будет определяться формулой

Увеличивая, или уменьшая управляющее напряжение , подаваемое на устройство сравнения, можно изменять угол α (угол управления) и, тем самым осуществлять регулирование величины выпрямленного напряжения .

Как видно из графика на рис.2.6,а напряжение, прикладываемое к нагрузке , носит пульсирующий характер. Для сглаживания напряжения на нагрузке параллельно ей может включаться емкость (конденсатор ), а для сглаживания тока нагрузки - последовательно с может включаться индуктивность (дроссель ). Чем больше величина емкости и индуктивности, тем более сглаженными оказываются напряжение и ток . Однако, среднее значение этих величин при сглаживании не меняется.