Однофазные управляемые выпрямители

Общие указания. К силовым полупроводниковым преобразователям с коммутацией от сети относятся выпрямители, управляемые выпрямители, ведомые сетью инверторы и непосредственные преобразователи частоты.

Выпрямители и управляемые выпрямители средней и большой мощности находят применение для питания постоянным током различных промышленных объектов и установок. Их используют для питания сети постоянного тока городского и железнодорожного транспорта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях, предназначенных для работы в системах управления двигателями постоянного тока.

Выпрямители и управляемые выпрямители, рассматриваемые в этой и последующих главах, строятся с использованием диодов и тиристоров. Выпрямительные установки средней и большой мощности выполняются преимущественно по многофазным схемам. Применение многофазных схем снижает загрузку полупроводниковых приборов по току, уменьшает коэффициент пульсации и повышает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облегчает задачу его сглаживания. Вместе с тем существуют потребители постоянного тока, которые в силу тех или иных условий получают энергию от однофазных выпрямителей. Такие выпрямители применяют в электрифицированном транспорте. Их используют также в некоторых видах сварочных устройств, электровибраторов и т. д.

В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входит встречная э.д.с. (двигатели постоянного тока, электролитические ванны) и активное сопротивление. Встречная э.д.с. и активное сопротивление обычно сочетаются с последовательным соединением индуктивности, либо присущей самой нагрузке, либо дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.

Если учитывать достаточно большую величину индуктивности в цепи нагрузки (что часто имеет место на практике), то независимо от того, содержит ли

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 229

потребитель встречную э.д.с. и индуктивность или его сопротивление имеет активно-индуктивный характер, режим работы выпрямителя остаётся одним и тем же. Это позволяет учитывать более простые параметры и в цепи нагрузки.

Однофазные управляемые выпрямители. В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения на нагрузке . Это обуславливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке с целью обеспечения требуемого режима её работы (например, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).

Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь её особенности. При наличии значительной индуктивности нагрузки на выходе управляемого выпрямителя, как правило, включается обратный диод (рис. 9.4.1 а).

В дальнейшем рассматриваются управляемые выпрямители, работающие на нагрузку со значительной индуктивностью, при которой можно считать ток нагрузки идеально сглаженным.

Рис. 9.4.1.Однофазный управляемый выпрямитель (начало)

230 Электронные аппараты

Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на рис. 9.4.1 б – з, поясняют режим работы схемы.

На интервале 0 - тиристоры Т1 и Т2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя = 0 (рис. 9.4.1 в).

В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки

трансформатора. На нагрузке на интервале - формируется напряжение

(рис. 9.4.1 в), представляющее собой участок кривой напряжения ( - коэффициент трансформации трансформатора). Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток (рис. 9.4.1 д). при переходе напряжения питания через нуль ( ) ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор закрывается, а ток нагрузки поддерживаемый энергией, накопленной в индуктивности, протекает через обратный диод. Вследствие этого ток нагрузки, после перехода вторичного напряжения через нуль, переводится в цепь диода . Из-за шунтирования диодом выходной цепи выпрямителя в кривой выходного напряжения создаются нулевые паузы.

Очередной отпирающий импульс подаётся на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале проводимости тиристора Т2 напряжения двух вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис. 9.4.1 з). Максимальное обратное напряжение на тиристоре равно , где - действующее значение вторичного напряжения трансформатора. В последующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.

Потребляемый из сети ток является переменным с практически прямоугольной формой и амплитудой равной , где - ток нагрузки. Первая гармоника потребляемого тока (1) отстаёт от напряжения сети по фазе (рис. 9.4.1 б). Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках.

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 231

Рис. 9.4.1.Однофазный управляемый выпрямитель (продолжение).

232 Электронные аппараты

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня входного напряжения управления . Функциональная схема такого управления приведена на рис. 9.4.2 а.

Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью устройства синхронизации (УС), подаётся на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное напряжение (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на формирователь импульсов ФИ, затем на распределитель импульсов (РИ), на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса подаётся на управляющий электрод. Обычно между распределителем импульсов

и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис. 9.4.2 а условно показано ломаной линией.

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла (рис. 9.4.1).

При = 0 кривая выходного напряжения соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и среднее напряжение на нагрузке максимально. При угле управления = , = 0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 осуществляет регулирование напряжения в пределах от максимального значения, равного до нуля. Зависимость среднего напряжения от угла называется регулировочной характеристикойуправляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это выражение на интервале - соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 9.4.1 в), т. е.

(3.1)

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 233

Рис. 9.4.2. Функциональная схема вертикального управления

управляемого выпрямителя

Результат расчёта даёт

= , (3.2)

где - среднее значение напряжения на нагрузке при = 0.

На рис. 9.4.3 показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя, построенная по выражению (3.2).

234 Электронные аппараты

Рис. 9.4.3. Регулировочная характеристика управляемого

выпрямителя

Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 9.4.4 а.

Режим работы и регулировочные характеристики мостового управляемого выпрямителя такие же, что и однофазного выпрямителя с нулевой точкой. Отличие проявляется в форме кривой обратного напряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется напряжением , а в схеме с нулевым выводом – напряжением 2 . По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение , вдвое меньшее, чем в схеме с нулевой точкой. Формы кривых напряжений и токов в схеме однофазного мостового выпрямителя представлены на рис. 9.4.4 б – з. при = 0 все полученные соотношения действительны для неуправляемого выпрямителя.

Силовые полупроводниковые преобразователи с коммутацией от сети 235

Рис. 9.4.4. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель

236 Электронные аппараты

9.4.2. Коммутация тока и внешние характеристики