Выпрямители с неуправляемыми вентилями

1. Однополупериодная схема выпрямителя

2. Схема с буферным вентилем

Устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем.

Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электроприводе постоянного тока, системах возбуждения машин, химической промышленности, системах управления и регулирования, электротяге, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния и т.д.

Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вентильные установки, состоящие из компонент:

· электрических вентилей (диоды, тиристоры);

· силового согласующего трансформатора, с помощью которого получают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения;

· сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармоник выпрямленного тока.

Работа преобразовательных установок сопровождается сложными электромагнитными процессами, характер которых зависит от многих параметров системы, содержащей нелинейные элементы (вентили) и магнитные связи.

Каждый установившийся режим работы по существу представляет собой непрерывно повторяющиеся переходные процессы, возникающие при включении (зажигании) и выключении (гашении) вентилей, осуществляющих коммутацию тока в преобразовательной установке.

Простейшая схема выпрямителя приведена на рис.1,а. На рис.1,б изображена синусоида напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а также кривые выпрямленного тока и напряжения на активном сопротивлении нагрузки . Предполагается, что вентиль идеальный.

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямителя (а) и графики переменных при активной нагрузке (б)

Так как в цепи нагрузки имеется вентиль, то ток появляется только во время положительной полуволны напряжения. Во время отрицательной полуволны вентиль закрыт.

Процессы в однополупериодной схеме выпрямителя протекают сложнее, если нагрузка носит не активный, а индуктивный характер .

Рис.2. Однополупериодная схема выпрямителя(а) и графики переменных при индуктивной нагрузке(б)

В момент

вентиль открывается и процесс описывается уравнением

,

откуда

(1)

Из этого уравнения следует, что ток, хотя и будет синусоидальным, но, благодаря постоянной составляющей, равной амплитуде синусоиды, никогда не будет принимать отрицательных значений (рис. 2,б). Вентиль же все время будет открыт. Получается, что вентиль в процессе как бы не играет никакой роли. На самом деле его роль здесь чрезвычайно велика.

Если бы вентиль, катушка индуктивности и трансформатор были идеальными (не имели потерь), то процесс имел бы точно такой характер, как описан выше, и вентиль не играл бы никакой роли. В действительности же всякая реальная электрическая цепь имеет потери. Поэтому при отсутствии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.3.

Рис.3. Процессы без вентиля в цепи индуктивной нагрузки

Вначале появляется некоторая постоянная составляющая тока, которая, как бы ни было мало активное сопротивление, в конце концов затухает, и в установившемся режиме при малом сопротивлении ток изменяется по закону

(2)

При наличии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.1.4.

Рис.4. Процессы с вентилем и малым активным сопротивлением

Процесс начинается также, как и в цепи без вентиля. Однако в момент

ток становится равным нулю. В момент

происходит как бы новое включение индуктивности под синусоидальное напряжение, и процесс повторяется. Таким образом, при наличии вентиля и малом сопротивлении ток будет близок по форме к изображенному на рис.4, а не 3.

Следует обратить внимание на две особенности протекания процесса в цепи, которые вносятся нелинейным элементом – вентилем:

· вентиль позволяет получить процесс, близкий к процессу в идеальной цепи (как бы компенсируя потери);

· постоянная времени процесса равна нулю.

В интервалах, когда вентиль не пропускает тока, все напряжение u прикладывается к вентилю. Напряжение на вентиле показано на рис.4 заштрихованными участками кривой . Это напряжение называется обратным напряжением вентиля , так как при этом анод вентиля имеет отрицательную полярность по отношению к катоду.

Рассмотрим другую схему однополупериодного выпрямителя – с так называемым буферным (обратным) вентилем (рис.5).

Рис.5. Схема с буферным вентилем

Она позволяет значительно снизить пульсации тока в индуктивной нагрузке, которые, как видно из предыдущего рассмотрения, достигают почти двойной амплитуды переменной составляющей.

На этой схеме иллюстрируется применение метода кусочно-линейной аппроксимации с припасовыванием начальных условий.

Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в замене заданной нелинейной характеристики ломаной прямой с одной или несколькими точками излома. Такая замена нелинейной характеристики позволяет вести расчет аналитически с помощью линейных уравнений [1].

Рис.6. Кривые токов и напряжений в схеме на рис.5 с

Сначала рассмотрим работу схемы рис.5 при

,

т.е. при чисто индуктивной нагрузке. Кривые токов и напряжений в схеме изображены на рис.6.

Схема работает следующим образом. В момент включения схемы

напряжение на нагрузке изменяется по синусоидальному закону. Так как напряжение приложено к чисто индуктивной нагрузке, то ток в соответствии с выражением (1) можно выразить как

,

где второй индекс указывает номер периода .

Вентиль 2 ( ) в течение первого полупериода закрыт, так как он включен встречно по отношению к вентилю 1 ( ) и, следовательно, его анод будет иметь отрицательный относительно катода потенциал.

В момент

анод вентиля 2 становится положительным и, следовательно, вентиль 2 открывается, закорачивая индуктивность . Вентиль 1 закрывается, так как из-за отпирания вентиля 2 катод вентиля 1 становится положительным. Поскольку вентиль 1 закрыт, ток в этот момент прерывается. Ввиду отсутствия потерь в вентиле 2 и закороченной им индуктивности ток , достигший к концу первого полупериода значения

,

в следующий полупериод будет проходить через вентиль 2, оставаясь постоянным, т.е.

.

В момент

вентиль 1 открывается, а вентиль 2 закрывается. Ток индуктивности снова начнет изменяться по синусоидальному закону, но не с нулевого значения, а со значения

,

т.е. в третьем полупериоде

(3)

Далее процесс развивается тем же путем.

Таким образом, от периода к периоду ток в индуктивности будет нарастать ступенями до бесконечности. В любом -м периоде от начала до конца первого полупериода ток меняется по закону

(4)

Во втором полупериоде -го периода ток в индуктивности остается постоянным и равным

(5)

Рассмотренный случай идеализированный и на практике не встречается.

Процесс будет протекать иначе, если учесть активное сопротивление нагрузки . В этом случае в первом положительном полупериоде, когда к нагрузке через вентиль 1 подключено напряжение

,

ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением

(6)

Общий интеграл этого уравнения

(7)

где

,

;

,

а величина зависит от начальных условий.

Во втором полупериоде, когда индуктивность замкнута через вентиль 2, ток определяется уравнением

(8)

общий интеграл которого

(9)

где величина также зависит от начальных условий.

Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями. Обозначим ток в начале -го периода через , а в конце первого (в начале второго) полупериода -го периода через

,

наконец, ток в конце -го и в начале ( )-го периода обозначим через

.

Тогда, отсчитывая время от начала -го периода, можно, используя уравнение (7), написать (для )

(10)

откуда

.

(11)

Следовательно, в течение первого полупериода n-го периода ток меняется по закону

(12)

В конце этого полупериода, когда

,

ток станет равным

(13)

Воспользовавшись уравнением (9) для второго полупериода, найдем

(14)

Таким образом, ток во втором полупериоде будет меняться по закону

(15)

В конце этого полупериода, когда

,

ток будет равен

(16)

Обозначив

,

получим

(17)

Подставляя это значение

в соотношение (13), получим разностное уравнение

(18)

которое можно решать с помощью преобразования Лорана [1]

.

После некоторых преобразований окончательно получим

(19)

откуда нетрудно найти значение тока в установившемся режиме (при ):

(20)

Согласно (17) имеем

(21)

Амплитуда пульсаций в установившемся режиме может быть найдена как

(22)

Таким образом, применение буферного (обратного) вентиля уменьшает пульсации тока: величина пульсаций в этом случае составляет долю, равную

от величины пульсаций

без буферного вентиля ( ).

ЛИТЕРАТУРА

Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Ч.I и II. – М.: Энергия, 1966.

Задания на СРСП.

1. Каково назначение обратного (буферного) диода в схемах выпрямления?

2. От каких параметров зависит величина начальных условий тока цепи с нагрузкой?

3. Почему изменением величины индуктивного сопротивления в цепи без учета ( ) явления выпрямления достичь нельзя?

4. Найти амплитуду пульсации тока в установившемся режиме с буферным диодом и без него, если известно, что угол нагрузки ,действующее напряжение , общее сопротивление .

Ответ: .

5. Определить постоянную времени цепи, если известно, что , .

Ответ: 0,00324 с.

6. Определить показатель степени для цепи с постоянной времени и сетевой частотой .

Ответ: 0,31.

Лекция No 3

Топология преобразователей с естественной коммутацией

1. Однофазные преобразователи

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей

3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)

4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей

Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми – полупроводниковые диоды.

В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи (при параллельном соединении – многофазные).

Основными параметрами преобразовательной схемы являются число возможных направлений тока и число пульсаций.

В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора только в одном направлении или в том и другом направлении, различают однонаправленные и двунаправленные схемы.

Число пульсаций – это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Схемное выполнение преобразователей с естественной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих условиях коммутируют между собой независимо от вентилей других групп. Данный преобразователь может иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.

1. Однофазные преобразователи

Рис.1. Однофазная, однонаправленная, однопульсная схема (1Ф1Н1П)

Рис.2. Однофазная, однонаправленная, двухпульсная схема (1Ф1Н2П)

Рис.3. Однофазная, двунаправленная, двухпульсная схема (1Ф2Н2П)

В схемах рис.1–3 могут использоваться либо неуправляемые полупроводниковые диоды ( ), либо управляемые – тиристоры ( ). Управляемые преобразователи, выполненные по схемам рис.2–3, при отсутствии шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме [1].

Рис.4. Схема типа 3Ф1Н3П

Вентили в схеме рис.4 (3Ф1Н3П) (или ) образуют единую коммутационную группу. Изменяя число сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора , можно получить несколько вариантов схемы. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (схема рис. 5) до шести и объединяя нулевые точки, можно увеличить число фаз на стороне вентильных обмоток и, следовательно, путем такого развития схемы, показанной на рис.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Получим шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4, с двумя коммутационными группами.

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей

Рис.5. Схема типа 3Ф1Н6П

На рис.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп I и II. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4.

Рис.6. Трехфазная двунаправленная шестипульсная схема – 3Ф2Н6П

На рис.6 показана схема 3Ф2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы (схема Ларионова). В этой схеме также имеются две коммутационные группы I и II, соединенные последовательно. Выходное напряжение преобразователя равно сумме выходных напряжений обеих коммутационных групп. Управляемые преобразователи без шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.

Рис.7. Схема двух встречно-параллельно соединенных преобразователей, обеспечивающая работу двигателя в четырех квадрантах

На рис.7 показана схема, часто применяемая в электроприводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно–параллельно через уравнительные реакторы . Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряжение любой полярности и при любом направлении тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразователей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток не может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Схема пригодна также и для получения напряжения переменной частоты посредством периодического изменения углов включения вентилей преобразователей.

Замечание. Представленный здесь принцип (рис.7) может быть применен также к преобразователям с другими схемами соединений: это ведет к возникновению значительного числа дополнительных вариантов.

3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)

Рис.8. Реверсивные однофазные системы электропривода: а, б, в – преобразователи с трехобмоточным согласующим трансформатором; г, д – преобразователи прямого включения в сеть

На рис.8,а показана схема, построенная по дифференциальному принципу и содержащая четыре тиристора . При одном направлении тока в нагрузке в один полупериод напряжения питания открыт тиристор , а в другой полупериод – тиристор , тиристоры и закрыты. При реверсе состояние тиристоров меняется на противоположное. В данной схеме напряжение, наводимое во вторичной обмотке трансформатора, полностью прикладывается к закрытым тиристорам.

Отличительной особенностью схемы на рис.8,б является наличие лишь двух тиристоров, что значительно упрощает схему управления тиристорами. Оба тиристора в этой схеме включены в диагональ мостов и , составленных из диодов. В этой схеме тиристоры защищены от воздействия обратного напряжения диодами выпрямителя. При одном направлении тока в нагрузке в первый полупериод напряжения открыт тиристор , и ток замыкается по цепи . Во второй полупериод напряжения питания открыт тиристор и ток замыкается по цепи . При другом направлении тока в нагрузке цепь состоит из и соответственно.

В схеме на рис.8,в направление тока в нагрузке обеспечивается своим индивидуальным мостовым выпрямителем и . В данной схеме не требуются дополнительные меры по закрытию тиристоров, поэтому она является универсальной.

Для схемы рис.8,г одному направлению тока в нагрузке соответствует открытое состояние тиристоров и , образующих одно плечо. Для смены направления тока в нагрузке состояние плеч необходимо изменить на обратное.

Тиристорный преобразователь, показанный на рис.8,д, имеет восемь тиристоров и по системе управления эквивалентен тиристорному преобразователю на рис.8,в. При одном направлении тока в нагрузке открыты тиристоры и в один полупериод сетевого напряжения, и , – в другой полупериод, при реверсе соответственно и , и .

Во всех схемах реверсивных тиристорных электроприводов при работе одной группы тиристоров в выпрямительном режиме другая группа находится в готовности к инверторному режиму. Применяются два основных метода управления вентильными группами: метод совместного и метод раздельного управления. Совместное управление целесообразно применять для высокоточных приводов. Раздельное управление целесообразно применять в тех случаях, когда допустимо «мертвое» время порядка 5x10 мс.

4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей

Для реверсивных быстродействующих регулируемых электроприводов постоянного тока используются двухкомплектные вентильные преобразователи, варианты которых приведены на рис.9, 10 [1,2].

Рис.9. Реверсивные системы электропривода: а - нулевая схема преобразователя с одной вторичной обмоткой трансформатора; б, в – нулевые схемы преобразователей с двумя комплектами вторичных обмоток, б – трехпульсная, в шестипульсная

Рис.10. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных мостовых преобразователей: а - встречно-параллельная схема мостового преобразователя (вместо трансформатора могут быть реакторы);б - схема преобразователя с двумя одинаковыми комплектами вторичных обмоток трансформатора

В схеме рис.9,а вторичные обмотки трансформатора питают две группы тиристоров. При одном направлении тока в нагрузке группа тиристоров, например тиристоры , работает в выпрямительном режиме, а другая группа - тиристоры – в инверторном режиме. При необходимости изменения направления тока в нагрузке нужно изменить режим работы каждой группы.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя, показанного на рис.9,б, является наличие двух групп вторичных обмоток вентильного трансформатора . В этом преобразователе так же, как и в предыдущем, одна группа тиристоров работает в выпрямительном режиме, а другая – в инверторном.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.9,в является увеличение числа пульсаций за счет специального включения вторичных обмоток трансформатора Т.

На рис.10,а представлена встречно-параллельная схема трехфазного преобразователя, обеспечивающего работу привода постоянного тока в четырех квадрантах. Часто эту схему применяют без трансформатора на входе или с одним трансформатором на несколько преобразователей.

Отличительной чертой реверсивного преобразователя на рис.10,б является наличие двух групп вторичных обмоток и вентильного трансформатора .

Между двумя группами тиристоров в рассмотренных реверсивных схемах под действием разности мгновенных значений напряжения может протекать ток, минуя цепь нагрузки, который называют уравнительным током. Уравнительный ток создает дополнительные потери в тиристорах и обмотках трансформатора и, в некоторых случаях при переходных режимах может вывести преобразователь из строя. Для ограничения уравнительного тока включаются дополнительные уравнительные дроссели .

Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока, улучшения динамических и энергетических характеристик находят большое распространение многофазные преобразователи. Увеличение фазности выпрямления достигается посредством последовательного включения двух и более трехфазных мостовых преобразователей со сдвинутыми по фазе анодными характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М.Основы преобразовательной техники. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с.

2. Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.

Контрольные вопросы

1. Чем различаются однонаправленные и двунаправленные схемы?

2. Что такое «число пульсаций» в выпрямительных схемах?

3. Определить число пульсаций для схем рис.1–6.

4. В чем состоит назначение двухкомплектных вентильных преобразователей?

5. В каких квадрантах работают схемы:

o с двухкомплектным вентильным преобразователем;

o с однокомплектным без буферного диода и с ним?

Лекция No 4