Ошибка

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Категория: Электроприводы
Опубликовано 03.07.2011 09:11
Автор: Super User
Просмотров: 4150

СИЛОВЫЕ УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Однофазный УВ с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Схема (рис. 1) отличается от схемы неуправляемого выпрямителя только тем, что вместо неуправляемых вентилей здесь используются управляемые (обычные тиристоры) с соответствующей схемой управления.

Рис. 1. Однофазный управляемый выпрямитель

Рассмотрим работу схемы на чисто активную нагрузку: S1 замкнут, S2 разомкнут. Если на входе выпрямителя имеет место положительная полуволна напряжения сети (на рис. 1 полярности напряжения без скобок), то в интервале 0...t1 (рис. 2, а) оба тиристора VD1 и VD2 закрыты, напряжение на нагрузке равно нулю. Тиристор VD1 находится под прямым напряжением, a VD2 - под обратным (рис. 2, д).

В момент времени t1 от схемы управления СУ на тиристор VD1 поступает управляющий импульс, тиристор скачком открывается, напряжение на нем падает до нуля (прямым падением напряжения на тиристоре в большинстве случаев можно пренебречь, так как [image]) и все напряжение половины вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке. Естественно, ток в активной нагрузке будет меняться до конца полупериода пропорционально напряжению.


Рис. 2. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на активную нагрузку

В момент времени [image] напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора падают до нуля и VD1 закрывается. Так как никаких специальных мер для запирания тиристора не принимается, такой процесс называется естественной коммутацией.

В момент t2 подается отпирающий импульс на тиристор VD2. Он включается, и в нагрузке формируется такой же сигнал, как и при включении VD1. Таким образом, через нагрузку будет протекать ток, форма которого показана на рис. 2, г, а среднее значение напряжения определяется заштрихованными площадками. Очевидно, что чем раньше в полупериоде будет подан управляющий сигнал, тем больше будет среднее значение тока и напряжения в нагрузке, и наоборот.

Если угол управления [image], режим работы УВ не отличается от работы неуправляемого выпрямителя и

Это максимальное значение [image]. При [image] как видно из диаграммы (рис. 2), [image].

Зависимость [image] называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Так как


[image],

то,

[image],

где [image] (для [image]).

На рис. 3 приведена регулировочная характеристика однофазного УВ для L = 0. Ток первичной обмотки трансформатора повторяет по форме (с учетом коэффициента трансформации) ток во вторичной обмотке и, если [image], имеет паузы в интервалах [image]. Его первая гармоника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно U1 даже при активной нагрузке.

Рис 3. Регулировочная характеристика однофазного УВ при работе на активную и индуктивную нагрузку

Прямое напряжение на тиристоре изменяется по закону U2 до момента отпирания_тиристора, и максимальное значение может достигнуть [image]. Обратное напряжение запертого тиристора (см. рис. 2, д) меняется по такому же закону до момента отпирания второго, а затем к первому прикладывается обратное напряжение обеих половин вторичной обмотки, и максимальное значение может достичь величины


[image].

Итак, характерными качествами УВ, работающего на активную нагрузку, являются предельный угол регулирования [image] и индуктивный характер первичного тока при [image].

Индуктивная нагрузка УВ (на рис. 1 S1 и S2 разомкнуты) вносит существенные отличия в его работу. Так, если принять индуктивность достаточно большой ([image]), то ток нагрузки можно (при данном [image]) считать постоянным, практически полностью сглаженным (рис. 4, в), а ток, протекающий по вторичным обмоткам и через вентили, состоящим из прямоугольных отрезков (рис. 4, г), амплитуда которых равна Id.

Рис. 4. Диаграмма работы однофазного нулевого УВ на индуктивную нагрузку

Так как включение очередного тиристора, например VD2, происходит с запаздыванием на угол а по отношению к моменту перехода вторичного напряжения через нуль, а ток через работающий вентиль должен протекать до тех пор, пока не включится VD2, то возникают интервалы времени, когда ток (под действием электромагнитной энергии, запасенной в дросселе) протекает при отрицательном напряжении на обмотке, т.е. в кривой напряжения Ud (рис. 4, б) появляются участки напряжения отрицательной полярности. Иначе говоря, среднее значение напряжения Ud при данном [image] будет меньше. При [image] площади фигур, описываемые кривой Ud, положительной и отрицательной полярности будут одинаковыми, т. е. Ud будет равно нулю. Регулировочная характеристика УВ будет описываться выражением


откуда [image], [image] (рис. 3).

Потребляемый от сети ток i1 состоит из прямоугольных импульсов с амплитудой [image] ([image] - коэффициент трансформации), его первая гармоника сдвинута в сторону отставания на угол [image] относительно напряжения питания (рис. 4, а).

Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения, равного [image], т. е. сумме напряжения на обеих обмотках. Так как один тиристор постоянно включен, максимальное обратное напряжение (для [image]), как и максимальное прямое (для [image]), равно [image].

При работе УВ данного вида на активно-индуктивную нагрузку при меньших значениях индуктивности ([image]) первичный и вторичный токи будут иметь вид отрезков, близких к синусоиде, но ток будет достигать нулевого значения при угле, большем [image], но меньшем [image] (при определенных соотношениях [image] и [image]), т. е. ток id будет прерывистым, форма Ud - промежуточной между рассмотренными выше, а регулировочная характеристика для такой нагрузки будет располагаться между характеристиками для L = 0 и L =[image].


Как было уже упомянуто, первая гармоника входного тока будет отставать от входного напряжения даже при активной нагрузке, а при индуктивной [image] и больших углах регулирования [image] становится очень низким. Это приводит к потреблению от сети значительной реактивной мощности, увеличению потерь в обмотках и сети, дополнительной загрузке генератора и т. д. Несколько ослабить отрицательные последствия этого явления можно, применив так называемый нулевой диод VD0, для чего необходимо включить S2 (см. рис. 1). Следует иметь в виду, что применение VD0 имеет смысл только при индуктивной нагрузке.

Диаграмма работы такой схемы приведена на рис. 5. При положительном полупериоде вторичного напряжения ток через W1 протекает с момента включения VD1, но как только напряжение U2 спадает до нуля, тиристор VD1 запирается, а контур тока замыкается через VD0 (L-VD0-Rн), т.е. вторичная обмотка не работает. Этот режим продолжается до момента включения VD2, затем ток с VD0 переходит на VD2 и процесс повторяется. Кривые напряжения на тиристоре аналогичны кривым при работе данной схемы на чисто активную нагрузку (см. рис. 2). Так как в кривой тока вторичных обмоток появляются паузы (пока ток нагрузки протекает через нулевой диод), то точно такую же форму с учетом коэффициента трансформации будет иметь и ток i1. Следовательно первая гармоника входного тока будет теперь сдвинута по отношению к U1 на угол [image] (вместо [image]), т. е. [image] схемы будет теперь выше ([image]).


Рис. 10.5. Диаграмма работы однофазного УВ с нулевым диодом

Регулировочная характеристика УВ с нулевым диодом совпадает с характеристикой схемы для активной нагрузки, т. е.

[image].

Таким образом, применение нулевого диода позволяет уменьшить нагрузку на тиристоры (в особенности при больших [image]) и поднять [image] выпрямителя.

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

Такая схема (рис. 6) включает четыре тиристора; вторичная обмотка не имеет отвода от средней точки, схема управления должна обеспечивать одновременное открытие двух тиристоров, расположенных в противоположных плечах моста. Диаграмма работы схемы на активную нагрузку приведена на рис. 7, на активно-индуктивную и индуктивную - на рис. 8.

Рис. 6. Однофазный мостовой УВ


Рис. 7. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активную нагрузку

Рис. 8. Диаграмма работы однофазного мостового УВ на активно-индуктивную нагрузку

Режим работы и регулировочные характеристики мостового УВ с полным числом управляемых вентилей аналогичны таковым для УВ с нулевым выводом. Но есть одно отличие: для нулевой схемы кривая напряжения на вентилях формируется из участков синусоиды амплитудой [image], a для мостовой схемы - [image], т. е. вентили можно выбирать на вдвое меньшее обратное напряжение. Правда, потери на прямое падение напряжения у мостовой схемы вдвое больше. Все остальные характеристики указанных схем и диаграмма работы идентичны.

В некоторых случаях возможно применение мостового УВ с неполным числом управляемых вентилей, например, если в схеме (см. рис. 6) оставить VD1 и VD3 управляемыми (тиристоры), а в качестве VD2 и VD4 поставить неуправляемые диоды. Режим работы схемы будет аналогичен рассмотренному режиму схемы УВ с нулевым выводом и VDO. Если [image], т.е. id идеально сглажен, то схема работает следующим образом (см. рис. 5). С задержкой [image] управляющим сигналом отпирается тиристор VD1, на интервале [image] ток нагрузки протекает через обмотку, вентили VD1 и VD2 и Zн. В момент [image] полярность напряжения U2 меняется на обратную, диод VD2 запирается, но, так как ток прекратиться не может ([image]), то он протекает через тот же тиристор VD1 и открывшийся диод VD4, цепь нагрузки закорочена, источником питания является индуктивность, трансформатор не работает. В момент времени [image] отпирается тиристор VD3, тогда VD1 сразу же закрывается, так как к нему прикладывается обратное напряжение, и работает вторая цепь схемы W-VD3-RdL-VD4. Далее процесс повторяется.


Таким образом, на интервале, равном углу регулирования [image], тока через вторичную, а следовательно первичную обмотку, нет, угол сдвига первой гармоники входного тока [image], в кривой Ud отсутствуют участки напряжения U2 отрицательной полярности.

Возможно использование и несколько иной схемы: управляемые вентили VD1 и VD4, а неуправляемые - VD2 и VD3. Характер работы схемы сохранится, только изменятся интервалы проводящих состояний вентилей.

Как указывалось выше, однофазные выпрямители в силовой технике практически не применяются, поэтому далее будут рассмотрены трех- и шестифазные схемы, однако к однофазным придется еще неоднократно возвращаться для пояснения ряда эффектов, возникающих в управляемых выпрямителях.