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 u ₂= u ₁/ 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= U ₂, где U ₂= U ₁/ n – действующее значение вторичного напряжения трансформатора. Дальнейшие процессы в схеме аналогичы рассмотренным.

Потребляемый из сети ток i ₁ является переменным с практически прямоугольной формой и амплитудой , где I _Н – ток нагрузки. Первая гармоника потребляемого тока i ₁(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.

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 0,9 U ₂, 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 = 0,9 U ₂ – 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 u ₂, а в схеме с нулевым выводом – напряжением 2 u ₂. 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.

Рис. 7.9

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