Классификация преобразователей электрической энергии

В мощных выпрямителях при больших токах индуктивные сопротивления непротяженных электрических сетей и связей по величине становятся соизмеримыми с сопротивлением нагрузки. Кроме того, удельный вес индуктивного сопротивления возрастает за счет увеличения индуктивного сопротивления рассеяния обмоток трансформатора. Поэтому нагрузка выпрямителя приобретает активно-индуктивный характер.

В большинстве случаев возникает необходимость изменять параметры выходного тока и напряжения или регулировать мощность, отдаваемую в нагрузку.

Это становится возможным при использовании управляемых выпрямителей, которые построены на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах. Закрытие вентилей происходит за счет изменения полярности напряжения в питающей сети. Такой процесс переключения вентилей называют естественной коммутацией.

На работу управляемого выпрямителя существенное влияние оказывает характер нагрузки. Поэтому рассмотрению подлежат три характерных режима:
- работа на активную нагрузку;
- работа на активно-индуктивную нагрузку в режиме прерывистого тока;
- работа на активно-индуктивную нагрузку в режиме непрерывного тока.

Мощные выпрямители имеют трехфазное исполнение, однако рассмотрение процессов в них с учетом особенностей представляется сложным. Поэтому характерные черты управляемых выпрямителей рассмотрим на примере однофазного нулевого выпрямителя, построенного на однооперационных тиристорах V1 и V2, подключенных к зажимам трансформатора ТV со средней точкой (рис. 33). Первичная обмотка трансформатора ТV подключена к сети напряжением u₁. Полученные результаты анализа можно будет распространить на трехфазные схемы.

Рис. 33. Схема однофазного нулевого управляемого выпрямителя

Управляемый выпрямитель с активной нагрузкой. Пусть L_н=0 и в рассматриваемый момент времени t₀ (рис. 34) полярность напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора ТV выпрямителя такова, что к вентилю V1 приложено прямое напряжение. Однако вентиль V1 ток не пропускает из-за отсутствия управляющего сигнала i_у1 на управляющем электроде тиристора. В времени t₁ подается управляющий сигнал. Этот сигнал поступает на управляющий электрод со сдвигом по фазе относительно момента естественного отпирания на угол α, который называют углом управления.

Моментом естественного отпирания называют момент появления положительного напряжения между анодом и катодом вентиля (момент времени t₀ на рис. 34). На интервале времени t₀-t₁ напряжение на нагрузке отсутствует u_d=0. В момент t₁ открытия вентиля выходное напряжение возрастает скачком до напряжения u_d=u₂. Через верхнюю часть вторичной обмотки трансформатора ТV, вентиль V1 и нагрузку протекает ток i₂=i_а1=i_d. Кривая тока повторяет форму кривой питающего напряжения u₂.

На активном сопротивлении нагрузки происходит безвозвратное преобразование электрической энергии. В момент времени t₂ (рис. 34) напряжения u₂=0, поэтому ток вентиля и нагрузки становятся равными нулю i_а1=i_d. Вентиль V1 закрывается. До открытия вентиля V2 ток по нагрузке не протекает, наблюдается бестоковая пауза и энергия в нагрузку не передается.

Рис. 34. Эпюры токов и напряжений управляемого выпрямителя при работе на активную нагрузку

На вентиле V2 появляется прямое напряжение, поэтому при подаче управляющего сигнала i_у2 на управляющий электрод в момент времени t₃ (рис. 34), тиристор V2 открывается. Вентиль V2 подключает нагрузку к нижней полуобмотке трансформатора. При этом ток i_d нагрузки, сохраняя прежнее направление, повторяет форму напряжения u₂. В момент времени t₄ (рис. 34) напряжение и ток равны нулю, и тиристор V2 закрывается. Угол проводящего (открытого) состояния вентилей λ=π-α.

Ток i₁ первичной обмотки трансформатора ТV на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока i₂ проводящей полуобмотки.

Среднее значение выпрямленного напряжения зависит от угла управления α

где Е_d0 – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе неуправляемого выпрямителя при холостом ходе. При данной схеме выпрямителя Е_d0 =0,9U₂ .

C увеличением угла управления α возрастает длительность бестоковых пауз, когда энергия из сети не передается в нагрузку.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла управления U_d =f(α) называют регулировочной характеристикой.