Однофазные управляемые выпрямители

 

Общие указания. К силовым полупроводниковым преобразователям с коммутацией от сети относятся выпрямители, управляемые выпрямители, ведомые сетью инверторы и непосредственные преобразователи частоты.

Выпрямители и управляемые выпрямители средней и большой мощности находят применение для питания постоянным током различных промышленных объектов и установок. Их используют для питания сети постоянного тока городского и железнодорожного транспорта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях, предназначенных для работы в системах управления двигателями постоянного тока.

Выпрямители и управляемые выпрямители, рассматриваемые в этой и последующих главах, строятся с использованием диодов и тиристоров. Выпрямительные установки средней и большой мощности выполняются преимущественно по многофазным схемам. Применение многофазных схем снижает загрузку полупроводниковых приборов по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Вместе с тем существуют потребители постоянного тока, которые в силу тех или иных условий получают энергию от однофазных выпрямителей. Такие выпрямители применяют в электрифицированном транспорте. Их используют также в некоторых видах сварочных устройств, электровибраторов и т. д.

В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входит встречная э.д.с. (двигатели постоянного тока, электролитические ванны) и активное сопротивление. Встречная э.д.с. и активное сопротивление обычно сочетаются с последовательным соединением индуктивности, либо присущей самой нагрузке, либо дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.

Если учитывать достаточно большую величину индуктивности в цепи нагрузки (что часто имеет место на практике), то независимо от того, содержит ли

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 229

 

 

потребитель встречную э.д.с. и индуктивность или его сопротивление имеет активно-индуктивный характер, режим работы выпрямителя остаётся одним и тем же. Это позволяет учитывать более простые параметры и в цепи нагрузки.

 

Однофазные управляемые выпрямители. В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения на нагрузке . Это обуславливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке с целью обеспечения требуемого режима её работы (например, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).

 

Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь её особенности. При наличии значительной индуктивности нагрузки на выходе управляемого выпрямителя, как правило, включается обратный диод (рис. 9.4.1 а).

 

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

 

 

Рис. 9.4.1. Однофазный управляемый выпрямитель (начало)

230 Электронные аппараты

 

Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на рис. 9.4.1 б – з, поясняют режим работы схемы.

 

На интервале 0 - тиристоры Т1 и Т2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя = 0 (рис. 9.4.1 в).

 

В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки

трансформатора. На нагрузке на интервале - формируется напряжение

(рис. 9.4.1 в), представляющее собой участок кривой напряжения ( - коэффициент трансформации трансформатора). Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток (рис. 9.4.1 д). при переходе напряжения питания через нуль ( ) ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор закрывается, а ток нагрузки поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности, протекает через обратный диод. Вследствие этого ток нагрузки, после перехода вторичного напряжения через нуль, переводится в цепь диода . Из-за шунтирования диодом выходной цепи выпрямителя в кривой выходного напряжения создаются нулевые паузы.

 

Очередной отпирающий импульс подаётся на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале 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. 9.4.1 з). Максимальное обратное напряжение на тиристоре равно , где - действующее значение вторичного напряжения трансформатора. В последующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.

 

Потребляемый из сети ток является переменным с практически прямоугольной формой и амплитудой равной , где - ток нагрузки. Первая гармоника потребляемого тока (1) отстаёт от напряжения сети по фазе (рис. 9.4.1 б). Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках.

 

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 231

 

Рис. 9.4.1. Однофазный управляемый выпрямитель (продолжение).

232 Электронные аппараты

 

 

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня входного напряжения управления . Функциональная схема такого управления приведена на рис. 9.4.2 а.

 

Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью устройства синхронизации (УС), подаётся на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со 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 подаётся на управляющий электрод. Обычно между распределителем импульсов

и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис. 9.4.2 а условно показано ломаной линией.

 

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла (рис. 9.4.1).

 

При = 0 кривая выходного напряжения соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и среднее напряжение на нагрузке максимально. При угле управления = , = 0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 осуществляет регулирование напряжения в пределах от максимального значения, равного до нуля. Зависимость среднего напряжения от угла называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это выражение на интервале - соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 9.4.1 в), т. е.

 

(3.1)

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 233

 

Рис. 9.4.2. Функциональная схема вертикального управления

управляемого выпрямителя

Результат расчёта даёт

= , (3.2)

где - среднее значение напряжения на нагрузке при = 0.

 

На рис. 9.4.3 показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя, построенная по выражению (3.2).

234 Электронные аппараты

 

 

Рис. 9.4.3. Регулировочная характеристика управляемого

выпрямителя

 

Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 9.4.4 а.

Режим работы и регулировочные характеристики мостового управляемого выпрямителя такие же, что и однофазного выпрямителя с нулевой точкой. Отличие проявляется в форме кривой обратного напряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется напряжением , а в схеме с нулевым выводом – напряжением 2 . По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение , вдвое меньшее, чем в схеме с нулевой точкой. Формы кривых напряжений и токов в схеме однофазного мостового выпрямителя представлены на рис. 9.4.4 б – з. при = 0 все полученные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя.

 

 

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 235

Рис. 9.4.4. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель

 

236 Электронные аппараты

 

9.4.2. Коммутация тока и внешние характеристики

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: