Преобразователи переменного тока в постоянный

Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

В этой схеме входное напряжение и_вх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц. Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а, к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и_вх оказывается приложенным к нагрузке R_нагр, в которой начинает протекать ток нагрузки i_нагр. При активной нагрузке (как это показано на рис. 3.1, б) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение и_вх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение и_вх, которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки R_нагр будет однополярное пульсирующее напряжение и_d, среднее значение которого составит

, (3.1)

где , – амплитуда напряжения сети и его действующее значение.

Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

. (3.2)

Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 3.2 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т, вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а, b, с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R_нагр. Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.

Рис. 3.2. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 3.2, б. Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 3.2, б). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку R_нагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет

, (3.3)

а коэффициент пульсаций

, (3.4)

где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.

Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 3.3), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.

Рис. 3.3. Трехфазный мостовой выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, б, в, г, д на рис. 3.3, б), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м, н на рис. 3.3, б).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени - ток проводят диоды и , в интервале времени - – диоды и , в интервале - – диоды и , и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.

Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет

, (3.5)

а коэффициент пульсаций

. (3.6)

Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 3.4).

При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а, б, в, г, д на рис. 3.4, б), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол α = 60°). В этом случае (см. рис. 3.4, в) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.

Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 3.4, б) или увеличение (рис. 3.4, г) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле α = 0 кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 3.2, б).

Рис. 3.4. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б, в, г – диаграммы напряжений

при различных углах управления

На рис. 3.5 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1) и трехфазной мостовой (кривая 2) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .

Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.

Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р, потребляемой преобразователем, к полной мощности S

. (3.7)

Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при α = 6 до 0,3…0,45 при α = 60°.