Управляемые выпрямители

Часто необходимо не только выпрямить переменное напряжение, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять величиной напряжения можно как в цепи переменного тока, так и в цепи выпрямленного тока. В цепи переменного тока регулирование осуществляется с помощью трансформаторов и автотрансформаторов. Это направление связано с низким КПД выпрямителя и его громоздкостью, в связи с чем используется только при малых мощностях.

Более экономично регулирование в цепи постоянного тока путем совмещения функций выпрямления и регулирования в одном устройстве. Управляемый выпрямитель основан на использовании тиристоров. Управление тиристором сводится к управлению моментом отпирания (включения) тиристора. Это осуществляется за счет сдвига фазы напряжения управления тиристором относительно анодного напряжения. Такой сдвиг фаз называют углом управления a.

Рассмотрим простейший однополупериодный управляемый выпрямитель — рис. 3.33. Отпирание тиристора производится импульсами, формируемыми схемой управления, а запирание происходит автоматически обратным напряжением. Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления U_d = f(a) называется характеристикой управления (рис.3.34). Максимальное значение выпрямленного напряжения получается при a = 0; В этом случае управляемый выпрямитель вырождается в неуправляемый. Таким образом, изменяя угол управления, можно уменьшать величину выпрямленного напряжения относительно величины U_do при a = 0.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель представлен на рис.3.36. Временная диаграмма приведена для случая активной нагрузки. В этом выпрямителе при a = 0 среднее значение выпрямленного напряжениям U_do =0,9 × U₂ как и в неуправляемом выпрямителе. При a = p выпрямленное напряжение отсутствует. Аналитическое выражение регулировочной характеристики

В отличие от нерегулируемого выпрямителя, в рассматриваемой схеме существует прямое напряжение на вентиле в течение интервала a перед отпиранием тиристора. При величина прямого напряжения будет максимальной, равной амплитуде вторичною напряжения U_2m. Обратное напряжение на вентиле после перехода тока через нуль на интервале a определяется отрицательной полуволной анодного напряжения U₂ этого тиристора. С момента включения очередного тиристора обратное напряжение на первом тиристоре скачком возрастает до величины . Амплитуда обратного напряжения будет максимальной и равной 2 × U_2m если угол регулирования не превышает p/2.

При индуктивной нагрузке ток открываемого тиристора будет возрастать не скачком, а плавно. Тиристоры остаются в открытом состоянии еще некоторое время после спада вторичного напряжения до нуля U₂ — так называемый период коммутации g. На этапе коммутации ток в заканчивающем свою работу вентиле падает до нуля, а ток во вступающем в роботу вентиле повышается от нуля до нормального значения, т.е. происходит переход нагрузки с одного вентиля на другой. Длительность периода коммутации тем больше, чем больше отношение L_н/R_н. Коммутация характерна как для управляемых, так и для неуправляемых выпрямителей. К появлению периода коммутации приводят также индуктивности рассеяния обмоток трансформатора, достигающие заметных значений в мощных выпрямителях.

Коммутационные процессы приводят к уменьшению выпрямленного напряжения и ухудшению коэффициента мощности выпрямителях.

В течение периода коммутации через тиристор протекает реактивный ток коммутации, ограниченный только индуктивным сопротивлением трансформатора и сети, приведенным ко вторичной обмотке X_а:

Здесь L_2s — индуктивность рассеяния вторичной обмотки; L_1s — то же первичной обмотки; L_c - индуктивность питающей сети. Угол коммутации увеличивает сдвиг первой гармоники первичного тока относительно напряжения сети:

Наличие индуктивности в нагрузке уменьшает пульсации выпрямленного тока, при очень большой L_н выпрямленный ток практически постоянный. Регулировочная характеристика выпрямителя приобретает вид:

В управляемом выпрямителе ток первичной обмотки трансформатора приобретает несинусоидальную форму: первая гармоника тока сдвигается относительно питающего напряжения и тем больше, чем больше угол регулирования. Это приводит к снижению коэффициента мощности выпрямителя, т.е. потреблению им из сети реактивной мощности, даже при чисто активной нагрузке. При индуктивном характере нагрузки этот эффект усугубляется за счет угла коммутации.

Для уменьшения потребляемой из сети реактивной мощности, а, следовательно, улучшения коэффициента мощности выпрямителя, при работе с большой индуктивностью в схему добавляют дополнительный вентиль (так называемый нулевой вентиль), шунтирующий нагрузку. Нулевой вентиль включается в те моменты, когда вторичное напряжение меняет знак с положительного на отрицательный. На интервале a энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, расходуется на ток, замыкающийся через нулевой диод. В результате уменьшается сдвиг первой гармоники первичного тока относительно напряжения сети и улучшается коэффициент мощности.

Характеристики управления двухполупериодного управляемого выпрямителя с активной и индуктивной нагрузкой показаны на рис. 3.37.

Однофазные двухполупериодные выпрямители могут выполняться по мостовой схеме. При этом можно использовать управляемые тиристоры во всех четырех плечах моста или только в двух, а в остальных двух — неуправляемые диоды. Известен вариант мостового выпрямителя с четырьмя неуправляемыми и одним управляемым вентилем — рис. 3.38.

Трехфазные управляемые выпрямители могут выполняться по схеме с нулевым выводом или по мостовой схеме. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом показан на рис.3.39. Особенностью трехфазного управляемого выпрямителя является то, что при больших углах регулирования выходное напряжение приобретает импульсный характер. При и активной нагрузке выпрямленный ток (напряжение) имеет непрерывный характер (область непрерывных токов), а при — прерывистый характер (область прерывистых токов). В случае активно-индуктивной нагрузки прерывистость тока в цепи нагрузки зависит не только от угла регулирования, но и от соотношения L_н/R_н. Если , непрерывный режим тока имеет место при любых соотношениях R_н и L_н. В случае дальнейшего увеличения угла регулирования непрерывный режим тока сохраняется при значительном преобладании индуктивности. Для исключения отрицательных участков в кривой выпрямленного напряжения и улучшения коэффициента мощности, нагрузка индуктивного характера может шунтироваться нулевым диодом.

В трехфазном мостовом выпрямителе режим прерывистых токов наступает при других значениях угла регулирования.

КПД выпрямителя оценивают отношением:

Здесь SDP — сумма активных потерь, состоящих из потерь в вентилях DP_в, потерь в силовом трансформаторе DP_ст и потерь в сглаживающем дросселе DP_д, если последний имеется.

Потери в вентилях:

где m — число вентилей в схеме, DU_а — падение напряжения на вентиле в прямом направлении, I_а — среднее значение тока через вентиль.

Потери в трансформаторе:

где DP_с — потери в стали (потери на перемагничивание), DP_м — потери в меди.

Потери в дросселе:

где I_d — выпрямленный ток, R_д - активное сопротивление обмотки дросселя.

Коэффициент мощности выпрямителя определяется отношением активной мощности, потребляемой из сети, к полной мощности

Активная мощность определяется первой гармоникой тока первичной обмотки

и без учета потерь в выпрямителе равна полезной мощности

Полная мощность определяется всеми гармониками первичного тока:

Отсюда

Здесь K — коэффициент искажения формы кривой потребляемого тока. сosj₁ — коэффициент сдвига первой гармоники тока, зависящий от угла регулирования a и угла коммутации g.

K зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Для однофазных двухтактных выпрямителей при ; для трехфазного мостового выпрямителя .

Для формирования импульсов управления, подаваемых на управляющий электрод тиристоров управляемых выпрямителей разработаны схемы СИФУ. Схемы обеспечивают формирование импульсов определенной длительности и амплитуды, подаваемых на вентили фаз выпрямителя в нужные моменты времени. В зависимости от способа реализации величины угла управления α СИФУ может быть аналоговой или цифровой.

При помощи управляемых вентилей можно регулировать величину не только постоянного, но и переменного напряжения. В простейшем случает это можно осуществить по схеме (рис.3.40). Но такие схемы приводят к искажению формы сетевого напряжения.

Инверторы

Инверторы представляют собой преобразователи постоянного напряжения в переменное. Основными элементами инверторов (и конверторов тоже) являются коммутационные приборы, которые периодически прерывают ток или меняют его направление. Инверторы классифицируют по типу коммутирующего прибора (транзисторные или тиристорные), по роду преобразуемой величины (инверторы тока или напряжения), по принципу коммутации (автономные или ведомые сетью). Транзисторные инверторы используются при малых мощностях, не превышающих сотни Вт, тиристорные — при больших мощностях и токах, доходящих до сотен ампер.

В преобразовательных установках инверторный режим может чередоваться с выпрямительным режимом, особенно в электроприводах постоянного тока. В двигательном режиме преобразователь работает как выпрямитель, передавая мощность двигателю постоянного тока. При переходе электродвигателя в генераторный режим (спуск груза, движение под уклон и т.п.) преобразователь работает как инвертор, отдавая энергию постоянного тока, генерируемого электрической машиной, в сеть переменного тока. При инвертировании источник постоянного напряжения работает как генератор энергии, характеризующийся тем, что направление этого ЭДС и тока совпадают, а нагрузка переменного тока — как потребитель, у которого ЭДС и ток встречны.

Инверторы, ведомые сетью. На рис.3.41 показана схема однофазного двухполупериодного инвертора с нулевым выводом. Тиристоры отпираются поочередно схемой управления через каждую половину периода a = p, а запирание их происходит вторичным напряжением U₂ трансформатора, создаваемым сетью. Поэтому инвертор называется ведомым. По отношению к E тиристоры включены в прямом направлении. Напряжения U_2-1, U_2-2 на вторичных обмотках периодически меняют знак, в одну половину периода складываясь с E, а в другую — вычитаясь из него. Энергия передается от инвертора в сеть переменного тока тогда, когда направление тока i₂ и переменного напряжения U₂ противоположны, т.е. когда и U₂ и Е встречны.

Процесс инвертирования возможен только тогда, когда U₂ > Е. В режиме инвертирования U₂(U₁) и I₂(I₁) противофазны, что и является показателем передачи энергии в сеть.

При a = 0 (в общем случае при 0 < a < p/2) инвертор может работать как выпрямитель.

Для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо:

1) подключить источник постоянного тока полярностью, обратной режиму выпрямления;

2) обеспечить открывание тиристоров при отрицательной полярности напряжения на полуобмотках U_2-1, U_2-2.

Но если очередной тиристор отпирать точно при угле управления a = p, то другой тиристор еще не успеет закрыться, т.к. для закрывания необходимо время, равное t_выкл тиристора. Тогда на время t_выкл образуется цепь короткого замыкания по цепи: вторичная обмотка — запирающийся тиристор — источник Е. Указанное явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Чтобы избежать этого нежелательного процесса необходимо угол регулирования a сделать меньше p на некоторый угол b, называемый углом опережения отпирания — рис.3.42 .

Угол опережения должен быть достаточным для того, чтобы могла совершиться коммутация токов тиристоров (период коммутации γ) и для того, чтобы после коммутации закрывающийся тиристор успел восстановить свои запирающие свойства.

Мощность, отдаваемая в сеть инвертором, может регулироваться 3-мя способами: изменением угла опережения при постоянном Е; изменением напряжения источника питания Е при постоянном опережении b изменением напряжения переменного тока U₂.

Автономный инвертор тока показан на рис. 3.43. Источник питания Е работает в режиме источника тока, из-за наличия дросселя L_o большой индуктивности. Тиристоры T₁, T₂ открываются попеременно запускающими импульсами U_вх.1, U_вх.2, поступающими из системы управления.

Открывшись, тиристор T₁ подключает левую на чертеже полуобмотку w_1-1 к источнику питания Е и в ней возникает ток i_т1. Этот ток наводит ЭДС во второй (правой) полуобмотке w_1-2 и во вторичной обмотке w. Конденсатор С_к, заряжается до удвоенного значения напряжения питания Е. После поступления входного управляющего импульса U_вх.2 тиристор T₂ открывается и напряжение на конденсаторе запирает первый тиристор T₁. Конденсатор С_к, разряжается через первичную обмотку и некоторое время (t_выкл) - через оба открытых тиристора. Как только тиристор T₂ закроется, разряд С_к, прекращается и начинается его перезарядка до 2Е другой полярностью.

В режиме холостого хода при переключении тиристоров могут возникнуть большие перенапряжения, неблагоприятно сказывающиеся на тиристорах и конденсаторе. Чтобы этого не произошло, применяют усовершенствованную схему с отсекающими диодами.

Конверторы

Конверторы осуществляют преобразование постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. Различают два типа конверторов — с самовозбуждением и импульсные.

Преобразователь напряжения с самовозбуждением используется при малой и средней мощности. Полная схема конвертора строится по схеме преобразователь — выпрямитель — сглаживающий фильтр. В качестве собственно преобразователя используется соединение прерывателя постоянного тока и трансформатора на магнитопроводе с прямоугольной петлей гистерезиса. На мощностях, не превышающих единицы Вт, используется простой, но не экономичный однотактный преобразователь (рис.3.44), на больших мощностях — двухтактный (рис.3.45). Переключатели тока чаще всего реализуются на транзисторах, включаемых по схеме ОЭ, обеспечивающей большое усиление по мощности. Правда, из конструктивных соображений иногда используют включение, по схеме ОК (например, из-за необходимости установки радиаторов, общих для обоих транзисторов). Самовозбуждение обеспечивается за счет положительной обратной связи через базовые обмотки.

Транзисторы работают в ключевом режиме. Частота переключения — от единиц до десятков кГц. В простейшем преобразователе частота переключения зависит от напряжения питания, поэтому в ответственных случаях переключение синхронизируют внешней стабильной частотой.

Напряжение на коллекторах транзисторов равно удвоенному значению напряжения питания. Форма выходного напряжения близка к прямоугольной, поэтому диоды в последующем выпрямителе должны быть достаточно высокочастотными.

Можно считать, что такой преобразователь является разновидностью инвертора.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИППН) позволяет регулировать величину выходного напряжения путем изменения параметров входных импульсов. Чаще всего используется изменение ширины импульса (широтно-импульсное регулирование) или частоты их следования (частотно-импульсное регулирование). Преобразование осуществляется периодическим прерыванием цепи при помощи транзистора или тиристора, работающих в ключевом режиме.

На рис.3.46 показана схема однотактного преобразователя с широтно-импульсным регулированием. Среднее значение выходного напряжения определяется выражением

Когда тиристор Т открыт, все напряжение источника Е подается на фильтр и через него в нагрузку. При этом диод Д ток не пропускает. Когда тиристор закрыт, ток через нагрузку проходит за счет энергии, накопленной в индуктивности фильтра и индуктивности нагрузки. При этом ток проходит через открытый диод Д, а тиристор Т закрывается.

Такие однотактные импульсные преобразователи используются при малых мощностях. При больших нагрузках, порядка сотен кВт, используются многотактные преобразователи, состоящие из нескольких параллельно включенных однотактных преобразователей, тиристоры которых включаются со сдвигом по фазе на угол 2p/n, где n — число ветвей n-тактного преобразователя. Это снижает пульсации выходного напряжения. В ИППН используют запираемые тиристоры или специальные схемы с коммутирующими конденсаторами для запирания тиристоров.

Импульсные преобразователи постоянного напряжения позволяют создавать конверторы большой мощности с высоким КПД, малой массой и габаритами.

Такие преобразователи совместно с неуправляемыми выпрямителями на входе могут использоваться для регулирования величины постоянного напряжения вместо использования управляемого выпрямителя. Это дает некоторое уменьшение потерь на вентилях.