Краткие теоретические сведения

 

Выпрямителем называется статический преобразователь электрической энергии переменного тока в постоянный ток.

По числу фаз питающей сети переменного тока выпрямители бывают однофазные и трехфазные.

Основными элементами выпрямителей являются полупроводниковые приборы (диоды или тиристоры). В случае если выпрямитель собран на диодах, то его называют неуправляемым выпрямителем, а если на тиристорах, то управляемый.

Существует большое число различных схем управляемых выпрямителей. По принципу действия и построения они могут быть разделены на две группы: однополупериодные (схемы с нулевым проводом), в которых используют только одну полуволну напряжения сети, и двухполупериодные (мостовые схемы), где использованы обе полуволны переменного напряжения сети.

Процесс выпрямления осуществляется непосредственно полупроводниковыми элементами (тиристорами) схемы выпрямления. Рассмотрим сущность процесса выпрямления на примере однофазной двухполупериодной схемы именуемой мостовой двухтактной (рисунок 9).

 

Рисунок 9 – Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

 

Тиристоры управляемого выпрямителя соединены так, что тиристоры VS1 и VS3 имеют общий катод, а тиристоры VS2 и VS4 – общий анод, образовывая мостовую схему. На выводы (1) и (2) подается переменное синусоидальное напряжение сети, а на выводах (3) и (4) получаем выпрямленное напряжение. На выводы (3) и (4) подключается нагрузка.

Итак, на вход выпрямителя подается переменное синусоидальное напряжение:

,

 

где U₁ – действующее значение напряжения питающей сети,

w – угловая частота напряжения питающей сети.

 

В момент времени, когда потенциал точки (1) выше потенциала точки (2) (см. рисунок 9) напряжение u₁ – положительно, на анодах тиристоров VS1, VS2 положительное напряжение относительно катодов, и при наличии сигнала управления тиристоры VS1, VS2 будут находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока проходящий через них ток не снизится до нуля.

В момент времени, когда потенциал точки (1) стане ниже потенциала точки (2) напряжение u₁ – отрицательно, при наличии сигнала управления, уже тиристоры VS3, VS4 будут находиться в проводящем состоянии.

Таким образом, при положительном напряжении между точками (1), (2) в процессе выпрямления участвуют тиристоры VS1, VS2, а при отрицательном – тиристоры VS3, VS4.

Рассмотрим работу однофазного управляемого выпрямителя на активную нагрузку (рисунок 10).

 

Рисунок 10 – Работа управляемого выпрямителя на активную нагрузку

 

На рисунке 11 приведены графики напряжений при угле управления a = 0, поясняющие принцип формирования выходного напряжения однофазного мостового выпрямителя.

 

 

Рисунок 11 – Формирование выходного напряжения

Как видно из рисунков 10 и 11 тиристоры включаются так, что в первом полупериоде, когда переменное напряжение имеет положительную полуволну, работают тиристоры VS1 и VS2, а когда напряжение имеет отрицательную полуволну – работают тиристоры VS3 и VS4. Поскольку для активной нагрузки ток по фазе совпадает с напряжением тиристоры VS1, VS2 выключатся, когда напряжение между точками (1) и (2) станет отрицательным, а тиристоры VS3 и VS4 – когда напряжение между точками (1) и (2) станет положительным.

При чисто активной нагрузке ток повторяет по форме напряжение (рисунок 12). В первом полупериоде ток нагрузки i_d протекает через вентили VS1 и VS2, а во втором полупериоде через вентили VS3 и VS4.

 

 

Рисунок 12 – Графики выходного напряжения и тока нагрузки (a = 0)

 

При угле управления тиристорами a = 0 на резисторе будет пульсирующее напряжение u_d и только одной полярности, или, иначе говоря, выпрямленное напряжение (см. рисунок 12).

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения или его среднее значение U_d равняется интегралу функции изменения этого напряжения во времени в течение периода 2×p, деленному на этот период. Для данной схемы выпрямления (см. рисунок 10) U_d равно:

 

 

где m – число тактов выпрямления (для данной схемы m = 2).

 

 

Регулирование выходного напряжения в управляемом выпрямителе осуществляется задержкой момента включения вентилей, которую называют углом управления a. На рисунке 13 приведены графики выходного напряжения и тока нагрузки при чисто активной нагрузке управляемого выпрямителя и угле управления a ¹ 0.

Среднее значение выходного напряжения при активной нагрузке и угле управления тиристорами a > 0 определяется выражением:

 

,

 

где U_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле управления a = 0.

 

Рисунок 13 – Графики выходного напряжения и тока нагрузки (a ¹ 0)

 

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления тиристорами называют регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя (U_d = f(a)).

На рисунке 14 приведена регулировочная характеристика однофазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя при его работе на активную нагрузку.

 

Рисунок 14 – Регулировочная характеристика однофазного

мостового выпрямителя при активной нагрузке

 

Рассмотрим теперь работу однофазного управляемого мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рисунок 15). Наличие индуктивности L в цепи постоянного тока при углах управления a > 0 приводит к тому, что после прохождения питающего напряжения через ноль ток через тиристоры, находящиеся в проводящем состоянии, продолжает протекать в том же направлении за счет энергии, накопленной в индуктивности. Тиристоры будут находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, проходящий через них, не спадет до нуля.

Например (для положительной полуволны питающего напряжения), тиристоры VS1, VS2 продолжают проводить ток и после того, как напряжение питающей сети u₁ станет отрицательным. При достаточно большой индуктивности эти тиристоры будут проводить ток до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VS3, VS4. Тогда тиристоры VS3, VS4 включатся, а тиристоры VS1, VS2 выключатся.

Рисунок 15 – Работа управляемого выпрямителя

на активно-индуктивную нагрузку

 

Таким образом, несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на тиристоры с задержкой на угол a относительно моментов их естественного включения (wt = 0, p, 2×p …), длительность протекания тока через тиристоры остается равной половине периода напряжения питающей сети.

При (wL = ¥) ток в цепи нагрузки идеально сглажен. При a > 0 ток нагрузки будет сдвинут относительно выпрямленного напряжения на угол a. Сдвиг тока относительно напряжения на угол a приводит к появлению в выпрямленном напряжении u_d отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения U_d. Очевидно, что с ростом угла a площадь отрицательных участков увеличивается, а, следовательно, среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается. Среднее значение выпрямленного напряжения является его постоянной составляющей и при (wL = ¥) выделяется на сопротивлении R, а переменная составляющая на индуктивности L.

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

 

 

Следовательно, среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при a = p/2. В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует.

Регулировочная характеристика однофазного мостового управляемого выпрямителя для активно-индуктивной нагрузки показана на рисунке 16.

На рисунке 17 показаны осциллограммы напряжения питающей сети, выпрямленного напряжения на нагрузке (нагрузка активно-индуктивная) и тока нагрузки для однофазного мостового управляемого выпрямителя с углом управления тиристорами a = 30 эл. град. Как видно ток в цепи нагрузки непрерывен.

 

Рисунок 16 – Регулировочная характеристика однофазного

мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

 

 

Рисунок 17 – Осциллограммы напряжений и токов однофазного мостового управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

(режим непрерывного тока нагрузки)

 

Если при активно-индуктивной нагрузке управляемого выпрямителя значение wL таково, что энергии, запасенной в индуктивности L на интервале, когда u_d > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока i_d в течение половины периода, то тиристоры VS1, VS2, проводящие этот ток, выключатся раньше, чем будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VS2, VS4, т.е. раньше момента, определяемого углом a.

Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током, или режимом прерывистого тока нагрузки.

На рисунке 18 показаны осциллограммы напряжения питающей сети, выпрямленного напряжения на нагрузке (нагрузка активно-индуктивная) и тока нагрузки для однофазного мостового управляемого выпрямителя с углом управления тиристорами a = 90 эл. град. Как видно ток в цепи нагрузки прерывистый.

 

Рисунок 18 – Осциллограммы напряжений и токов однофазного мостового управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

(режим прерывистого тока нагрузки)

 

При одинаковых углах управления тиристорами a среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током нагрузки будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению площади отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, так как в этом случае отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения вообще нет.

Поэтому в режимах с прерывистым током нагрузки регулировочные характеристики управляемого выпрямителя будут находиться между регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для чисто активной нагрузки – 1 и регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя для активно-индуктивной нагрузки для режима непрерывного тока – 2 (рисунок 19).

Режим работы однофазного управляемого мостового выпрямителя, когда ток нагрузки спадает до нуля точно в момент включения очередных тиристоров, называется граничным, а ток нагрузки в этом случае называется гранично-непрерывным.

Очевидно, чем больше угол управления тиристорами a, тем больше должна быть индуктивность L, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током нагрузки i_d.

Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах схемы граничный режим работы, называется критической.

1 – регулировочная характеристика при активной нагрузке

2 – регулировочная характеристика при активно-индуктивной нагрузке

 

Рисунок 19 – Регулировочные характеристика однофазного

мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

 

Управляемые выпрямители чаще всего используются для управления двигателем по цепи якоря. Однако двигательная нагрузка отличается от активно-индуктивной нагрузки, рассмотренной ранее. Двигательная нагрузка помимо активного сопротивления и индуктивности содержит источник ЭДС. Рассмотрим работу однофазного мостового управляемого выпрямителя для случая, когда приемник энергии имеет противо-ЭДС – e (рисунок 20).

Рисунок 20 – Работа управляемого выпрямителя

на активно-индуктивную нагрузку с противо-ЭДС

 

При конечном значении L и R моменты включения вентилей зависят от противо-ЭДС. При угле управления тиристорами a включение вентилей произойдет лишь в тот момент, когда потенциал на анодах тиристоров станет больше потенциала катодов, т.е. включение тиристоров возможно при (U₁ ³ e). Если (e ³ U₁)вентили не включаются, ток i_d = 0, а продолжительность прохождения тока через вентиль l = 0. С уменьшением eугол l возрастает, и в пределе, при (e = 0) имеем l = 360 эл.град. (при угле управления a = 0 эл.град.). В зависимости от угла l имеем несколько режимов работы схемы.

В режиме I угол (0 < l < 180) и выпрямленный ток имеет прерывистый характер. В режиме II угол (l ³ 180) и выпрямленный ток имеет непрерывный характер.

Из-за наличия в нагрузке источника противо-ЭДС процессы коммутации вентилей усложняются. Изменяются и регулировочные характеристики управляемого выпрямителя.

Контрольные вопросы

В чем отличие двухполупериодной схемы выпрямления от однополупериодной?

Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?

Управляемый двухполупериодный выпрямитель работает на активную нагрузку от однофазной сети переменного напряжения (действующее значение напряжения равно 220 В). Определить среднее значение напряжения на нагрузке при угле управления 90 эл.град. и 60 эл.град.

Что такое режим прерывистого тока нагрузки?

Что называют критической индуктивностью?

Как зависит критическая индуктивность от угла управления тиристорами?

Начертить регулировочную характеристику однофазного управляемого мостового выпрямителя при активной нагрузке.

Начертить регулировочную характеристику однофазного управляемого мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (L = ¥).

Начертить регулировочную характеристику однофазного управляемого мостового выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке (L ¹ ¥).

Что такое режим непрерывного тока нагрузки?

Управляемый двухполупериодный выпрямитель работает на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока нагрузки от однофазной сети переменного напряжения (действующее значение напряжения равно 380 В). Определить среднее значение напряжения на нагрузке при угле управления 30 эл.град. и 60 эл.град.

Как влияет на регулировочную характеристику наличие в нагрузке источника ЭДС?

 

Рекомендуемая литература

Преображенский В.И. Полупроводниковые выпрямители. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 136 с.: ил.

 

Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296с.: ил.

 

Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники. – М.: Энергия, 1979. – 392 с.

 

Москаленко В.В. Автоматизированный электропривод: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 416 с.: ил.

 

Основы автоматизированного электропривода: Учеб. пособие для вузов/ М.Г. Чиликин, М.М. Соколов, В.М. Терехов, А.В. Шинянский. – М.: Энергия, 1974. – 568с.: ил.