Управляемые выпрямители.

Принцип действия УВ основан на изменении угла задержки отпирания силового ключа по отношению к моменту времени естественной компенсации. За момент естественной компенсации обычно принимают момент отпирания неуправляемого силового ключа (диода), который соответствует моменту прохождения положительной полуволны входного напряжения через 0. Изучение принципа действия УВ начнём с рассмотрения однофазного однополупериодного УВ, работающего на однофазную нагрузку с сопротивлением (схема такого выпрямителя приведена на рис.6., графического приложения, также на рис. 6. представлены диаграммы, поясняющие принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя). Пусть сопротивление нагрузки чисто активное, т.е.: .

Если момент отпирания тиристора Т соответствует моменту естественной коммутации, то выходной ток выпрямителя будет иметь форму показанную на рис 6в граф. приложения

Если же управляемые импульсы подавать с некоторым запаздыванием относительно момента естественной коммутации, при этом запаздывание ωt=α , то выходной ток прими вид (см. рис 6в граф. приложения).

При этом выходное напряжение , так же будет повторять форму тока. При этом среднее значение выпрямленного напряжения будет определяться величиной среднего значения напряжения U_d0 при α=0, которое равно , где U-действующее значение синусоидального напряжения. Величина выходного напряжения будет зависеть от U_d0 и от α=ωt-угол управления выпрямителя. В случае, когда нагрузка чисто активная:

, тогда зависимость среднего значения выходного напряжения U_d от угла управления α, которое носит название регулировочная характеристика будет иметь следующий вид:

Рис.14

Рассмотрим работу такого выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Отличительная особенность заключается в том, что за счёт энергии запасённой в индуктивности нагрузки, ток при подаче отпирающего импульса имеет форму, несколько отличающуюся от синусоиды. В момент прохождения синусоиды ч/з 0, т.е. при подаче отрицательного напряжения, ток будет прерываться не сразу, а с некоторым запаздыванием, в результате на кривой выходного напряжения будут появляться области отрицательной полярности. При этом, чем больше индуктивность сопротивления нагрузки, тем больше энергия запасённая в ней и тем больше области отрицательной полярности в кривой выходного напряжения. Если сопротивление нагрузки имеет чисто индуктивный характер, т.е. z_н=L_н , то ток через нагрузку практически не прерывается имея при этом форму близкую к прямоугольной, а среднее значение выходного напряжения уменьшается и при этом уравнение регулировочной характеристики примет вид:

Здесь - среднее значение выходного напряжения н6е управляемого (диодного) выпрямителя (т.е. при ).

- угол управления, соответствующий моменту, подачи управляющего импульса на силовой ключ.

Эта характеристика будет иметь вид.

Рис.15

Т.о. для того чтобы изменить скорость вращения ЭД необходимо уменьшить на зажимах якоря напряжение, что достигается увеличением угла управления .

При этом необходимо отметить одну весьма важную особенность: ток во вторичной обмотке согласующего трансформатора при активной нагрузке будет практически совпадать с напряжением, а, следовательно, отставать по фазе от входного напряжения на угол управления .

Если сопротивление нагрузки практически равно индуктивному, то ток через силовой ключ и нагрузку практически не прерывается (рис.7б). При этом область отрицательной полярности может стать чрезмерно большой, что приведёт к уменьшению выходного напряжения, следовательно при работе на чисто индуктивную нагрузку однофазные однополупериодные выпрямители не применяются. Кроме того, существенное влияние на работу двигателя оказывает наличие пульсаций выходного напряжения выпрямителя, что влияет на увеличение потерь мощности в двигателе. Для сглаживания пульсаций применяют выходные фильтры, используют в качестве выпрямителей многофазные выпрямители. При этом величина будет зависеть от числа полупериодов выпрямителя, а также от числа фаз. Обычно оба эти фактора сводят к одному термину, который носит название «Эквивалентное число фаз» (например для 3х фазного однополупериодного выпрямителя, для 3х фазного двухполупериодного) для однофазного однополупериодного выпрямителя для однофазного двухполупериодного выпрямителя: .

Первая гармоника выходного тока, протекая через вторичную обмотку согласующего трансформатора, будет отставать по фазе от вторичного напряжения на угол управления . Известно, что ток первичной обмотки трансформатора связан со вторичным только коэффициентом трансформации, следовательно угол сдвига фаз между напряжением первичной обмотки трансформатора, которое равно напряжению питающей сети и - током первой гармоники будет практически равен :

При работе на чисто индуктивную нагрузку, обычно применяют двухполупериодные выпрямители чаще всего мостовые. Рассмотрим работу на активно-индуктивную нагрузку однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя (рис.9).

Здесь две вторичные полуобмотки входного трансформатора с напряжением и соответственно с силовыми ключами и образуют плечи моста; в диагональ моста включена активно-индуктивная нагрузка с активным сопротивлением и индуктивностью .

Напряжение снимается с зажимов нагрузки.

Если напряжение нагрузки чисто активное, то диаграммы тока, протекающих через силовые ключи и могут быть представлены в виде рисунков 7в и 7г графического приложения. На рис. 7д. показана диаграмма тока в первичной обмотке входного трансформатора. Сопротивление нагрузки (на схеме активно-индуктивное) включается в диагональ моста между катодами силовых ключей , и так называемой нулевой точкой вторичной обмотке трансформатора.

Принцип работы схемы:

Силовые ключи и попеременно находятся в открытом и закрытом состоянии. Отпирание силовых ключей производится подачей управляемого импульса на управляющий электрод одного из ключей. Второй силовой ключ в этот момент запирается отрицательным напряжением через открытую цепь первого. Например, в момент времени силовой ключ - в открытом состоянии, - в закрытом. В момент времени соответствующий , где - угол управления, подаётся отпирающий импульс на . В результате отпирается, а через открытую цепь на подаётся отрицательная полуволна входного напряжения, в результате чего запирается и т.д. Ток протекает через открытый силовой ключ и сопротивление нагрузки. При чисто активном характере нагрузки (рис7в, 7г). На рис. 7г. показан ток во вторичной обмотке трансформатора. Нетрудно убедиться, что он имеет прямоугольную форму и отстаёт по фазе от входного напряжения на угол . Для увеличения коэффициента мощности и для уменьшения областей отрицательной полярности в кривой выходного напряжения сопротивление нагрузки шунтируется с помощью так называемого нулевого диода. При наличии нулевого диода большая часть тока нагрузки под действием запасённой энергии будет протекать не через сеть, а через нулевой диод, при этом уменьшится область отрицательной полярности выходного напряжения и становится меньше угла , следовательно, увеличивается .

К отличительной особенности двухполупериодных УВ относится влияние на их работу индуктивной составляющей сопротивления входного трансформатора. За счёт индуктивности трансформатора и энергии, запасенной в ней в момент подачи на один из силовых ключей отрицательной полуволны входного напряжения, он запирается не мгновенно, а с некоторым запаздыванием. В результате, в течение некоторого периода времени в открытом состоянии находятся оба силовых ключа, которые образуют короткозамкнутый контур и в течение этого времени среднее значение напряжения нагрузки . Этот период называется «интервал коммутации» (см.рис.11). На рисунке: 11аграфического приложения - в кривой выходного напряжения , кроме областей отрицательной полярности, соответствующей углу управления присутствуют так же области, длительность которых равна интервалу коммутации .

На рис.11б – ток через нагрузку, при чисто индуктивном характере , а на рис.11в,г ток, протекающий через силовые ключи. Как видно из рис. в и г на протяжении интервалов коммутации оба силовых ключа открыты. Т.о. наличие интервала коммутации приводит к падению среднего значения напряжения на нагрузке . Величина этого снижения напряжения носит название «Среднее коммутационное снижение за период» и обозначается .С учётом этого уравнения для будет иметь вид:

при этом может быть выражено:

С учётом этого, уравнение зависимости выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя от выходного тока имеет вид:

где - эквивалентное индуктивное сопротивление трансформатора ( включает в себя влияние первичной и вторичной обмотки и влияние сердечника). При этом внешняя характеристика может быть представлена:

Рис.16

На рис.13д. показана диаграмма тока во вторичной обмотке входного трансформатора. Нетрудно убедиться, что при отсутствии «нулевого» диода угол сдвига фаз между входным напряжением и током первой гармоники будет составлять:

Одним из основных недостатков расмотренных УВ является наличие пульсаций в кривой выходного напряжения. Для уменьшения пульсаций, кроме использования двухполупериодных схем выпрямителя, прнименяют многофазные (трехфазные).