Однофазные управляемые выпрямители

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополу­периодная схема. Выпрямители, позволяющие регулировать величину выпрямлен­ного напряжения в заданных пределах, называются управляемыми. Ре­гулировать величину выпрямленного напряжения можно двумя прин­ципиально различными способами:

1. Изменять каким-либо способом величину подводимого к вы­прямителю напряжения (например, с помощью автотрансформатора, ступенчато регулируемых трансформаторов, дросселей насыщения и др.).

2. Использовать в выпрямителях свойства управляемых вентилей (с полной или частичной управляемостью).

Наибольшее распространение в технике получили управляемые выпрямители, относящиеся ко второй группе. Их рассмотрению и будет посвящен данный раздел.

2.1. Однополупериодный управляемый выпрямитель

Простейшая схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис. 4.1а. Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя напряжения U₂, соответствующего заданной величине выпрямленного напряжения U_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети.

В качестве силового вентиля в этой схеме выпрямления используется тиристор (вентиль с частичной управляемостью). Принципиально здесь можно использовать полностью управляемый вентиль (транзистор или двухоперационный тиристор), свойства последних позволяют их использовать только в вентильных преобразователях сравнительно небольшой мощности. Преобразователи средней и большой мощности обычно строятся на тиристорах.

а) б)

Рис. 4.1. Схемы однофазных управляемых выпрямителей

Как известно, для перевода тиристора в проводящее состояние необходимо выполнение одновременно двух условий: наличие положительного потенциала на аноде относительно катода U_ак; наличие в цепи управления тока i_у, достаточного для включе­ния тиристора при данной величине U_ак. Формирование тока управления осуществляется специальным устройством (системой управления) (СУ). В дальнейшем во всех схемах управления вентильных преобразователей система управления будет подразумеваться, но на рисунках изображаться не будет.

Благодаря односторонней проводимости тиристора ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что определяет и название этой схемы. Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

1. Активным и индуктивным сопротивлениями обмоток трансформатора пренебрегаем.

2. Нагрузка имеет чисто активный характер.

3. Тиристор VS идеальный.

4. Током намагничивания трансформатора пренебрегаем.

5. Напряжение обмотки трансформатора синусоидально:

u₂ = .

Пусть в положительный полупериод напряжения u₂система управления СУ формирует сигнал на включение тиристора со сдвигом по фазе на угол α относительно точки 0. Тогда при допущениях, принятых ранее, ток в нагрузке будет протекать на интервале (α...π) под действием выпрямленного напряжения U_d (рис. 4.2б).

В точке π тиристор закроется, так как полярность напряжение u₂ изменится на противоположную, и снова тиристор сможет открыться только в точке (2π+α) (рис. 4.2б), когда система управления снова подаст сигнал на его включение.

Рис. 4.2. Временные диаграммы

Постоянная составляющая выпрямленного н при этом

.

Угол α, на который запаздывает включение тиристора VS относительно точки естественной коммутации, называется углом управления или углом включения тиристора.

Из рис. 4.2вследует, что в управляемом выпрямителе к тиристору, кроме обратного (запирающего) напряжения, прикладывается еще и прямое напряжение на участке [0...(2π + α)]:

U_{а max}= .

В частном случае, при α = 0 все электромагнитные процессы управляемых выпрямителей и основные расчетные соотношения аналогичны для соответствующих схем неуправляемых выпрямителей.

2.2. Двухполупериодный управляемый выпрямитель со средней точкой

Простейшая схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевым выводом (со средней точкой) представлена на рис. 4.1б.

На рис. 4.3 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу однофазного управляемого выпрямителя со средней точкой при чисто активной нагрузке и угле управления a=45⁰.

Здесь u_2a, u_2b, − напряжения на вторичной стороне трансформатора;

u_y1, u_y2 − напряжения на управляющих электродах тиристоров VS1 и VS2;

u_da − выпрямленное напряжение на нагрузке;

u_v1 − напряжение на тиристоре VS1.

При изменении угла a будет изменяться время работы тиристоров и соответственно величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого будет определяться выражением

,

где U_d0 − напряжение холостого хода при a=0.

Зависимость U_da=ƒ(a) называется регулировочной характеристикой. Регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки представлена на рис. 4.4.

При увеличении тока нагрузки I_d выходное напряжение U_da выпрямителя будет уменьшаться вследствие падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре.

Зависимость U_da=ƒ(I_da) называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Например, на рис. 4.5 приведены внешние характеристики при разных значениях a, наклон которых остается постоянным, т.к. потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления α.

Рис. 4.3. Временные диаграммы