5.    Управляемые выпрямительные устройства

 

5.1. Способы регулирования питающих напряжений

Значительная часть потребителей постоянного и переменного токов требует регулирования питающих напряжений. Регулировка выходного напряжения выпрямительных устройств может осуществляться следующими способами:

1. Регулируемые трансформаторы и автотрансформаторы, включенные в схему выпрямителя, дают возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение. Недостатками являются громоздкость устройств и их малая надежность из-за переключаемых или скользящих контактов.

2. Непрерывные регуляторы с помощью регулировки постоянного напряжения на нагрузке, достигаемой делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой. Недостаток этого способа связан с большими потерями мощности.

3. Регулируемые или управляемые выпрямители, принцип действия  которых основан на управлении вентилями выпрямителя. Регулирование выходного напряжения изменением параметров вентилей не требует дополнительных регулирующих устройств, обладает высоким быстродействием и не вносит потерь мощности. Недостатками такого способа регулирования выходного напряжения являются значительное увеличение амплитуды напряжения пульсаций, снижение коэффициента мощности . Эти недостатки проявляются тем сильнее, чем больше пределы регулирования выходного напряжения выпрямителя.

В качестве управляемых вентилей в настоящее время широко применяются тиристоры. Моментом включения тиристора можно управлять, подавая, импульс тока на p-n ‑ переход, прилегающий к катоду. Ток нагрузки, проходя через открытый тиристор, смещает все три p-n ‑ перехода в прямом направлении, и управляющий электрод теряет влияние на процессы в тиристоре. При снижении прямого тока тиристора до нуля после рассасывания заряда неосновных носителей в базовых областях, тиристор закрывается, и управляющие свойства восстанавливаются.

В схеме (рис.5.1,а), содержащей источник питания , тиристор Т и резистор нагрузки , возможны два устойчивых состояния: открытый тиристор, закрытый тиристор. На вольтамперной характеристике (рис.5.1,б) показано, что отключенный тиристор соответствует точке А, а включенный тиристор ‑ точке В. В зависимости от значения тока управления  (рис.5.1,а) изменяется вид вольтамперной характеристики тиристора (рис.5.1,б). Чем больше , тем при меньшем напряжении  происходит открывание тиристора, т.е. переход из точки А в точку В на вольтамперной характеристике. При достаточно больших значениях управляющего тока вольтамперная характеристика вырождается в кривую, аналогичную прямой ветви характеристики диода. Величина тока управляющего электрода, при котором выполняется это условие, называется током спрямления. В открытом состоянии тиристор способен пропускать большие токи и имеет очень малое сопротивление, что может привести к большим броскам тока в момент открывания тиристора. Особенно велики броски тока в тех схемах, где параллельно сопротивлению нагрузки включается конденсатор. Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включают дроссель. В выпрямительных схемах тиристоры гораздо лучше работают при омической нагрузке или при нагрузке, начинающейся с индуктивности.

 

Рис.5.1. Схема включения тиристора и его вольтамперная характеристика

 

            5.2. Анализ работы двухполупериодного тиристорного управляемого выпрямителя на резистивную нагрузку

Рассмотрим работу двухполупериодного управляемого выпрямителя на резистивную нагрузку, схема которого представлена на рис.5.2,а, временные диаграммы ‑ на рис.5.2,б-е. В управляемый выпрямитель тиристоры включаются как обычные вентиля, а к их управляющим электродам подводятся от схемы управления импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол  по отношению к выпрямляемому напряжению. Угол  называется углом регулирования и для схемы (рис.5.2,а) изменяется от 0 до : . Схема управления (СУ) предназначена для формирования импульсов включения тиристоров в моменты времени, соответствующие заданному углу регулирования. В соответствии с временными диаграммами

Рис.5.2. Схема и временные диаграммы работы двухполупериодного тиристорного выпрямителя на резистивную нагрузку

 

(рис.5.2,б-е) на интервале времени  тиристоры T₁ и T₂ (рис.5.2,а) закрыты и выходное напряжение выпрямителя равно нулю (), а прямое напряжение на тиристоре T₁ изменяется точно так же, как и напряжение  на выходе вторичной обмотки трансформатора (рис.5.2,а): .

В момент времени , когда на управляющий электрод тиристора Т₁ приходит импульс  (рис.5.2,в), достаточный для открывания тиристора T₁ (т.е. для перехода из точки А в точку В согласно вольтамперной характеристике (рис.5.1,б)), тиристор открывается и на интервале времени  и выходное напряжение и ток (рис.5.2,г,д) совпадают по форме с напряжением . В момент времени  выходной ток  становится равным нулю и тиристор T₁ закрывается. Поэтому на интервале времени  оба тиристора закрыты, , а .

В момент времени , на второй тиристор Т₂ поступает импульс  (рис.5.2,в), достаточный для его открывания. Поэтому на интервале времени  входное напряжение  и ток (рис.5.2,г,д) совпадают с напряжением , а  и показано на рис.5.2,е. Из графиков (рис.5.2,б-е) видно, что постоянное выходное напряжение максимально при и при  . Выражение для постоянной составляющей выходного напряжения в зависимости от угла регулирования  имеет вид:

.              (5.1)

Выражение (5.1) называется уравнением регулировочной характеристики выпрямителя. Из (5.1) имеем:

.                                                      (5.2)

Постоянная составляющая выходного тока определяется соотношением:

.                                                              (5.3)

Средний прямой ток тиристора равен:

,                                                                                  (5.4)

а действующее значение тока тиристора и вторичной обмотки трансформатора определяется:

,                                                (5.5)

где  ‑ коэффициент формы вентиля. Величина обратного максимального напряжения на тиристоре равна:

,                                                                         (5.6)

а прямое обратное напряжение определяется зависимостью:

,                                                                         (5.7)

причем его максимальная величина достигается при :

.                                                                        (5.8)

Как известно, в. схеме двухполупериодного выпрямления частота пульсаций выходного напряжения в два раза выше частоты питающей сети, а коэффициент пульсаций, при работе на резистивную нагрузку, равен.

В нашем случае, для схемы тиристорного регулируемого выпрямителя, если угол регулирования , то . С увеличением угла регулирования  пульсации выпрямленного напряжения заметно возрастают и  ‑ увеличивается.

Практические схемы регулируемых тиристорных выпрямителей имеют, как правило, не резистивную, а реактивную нагрузки. Чаще всего применяют Г-образные индуктивно-емкостные фильтры. В простейшем случае в качестве реактивной нагрузки включают дроссель.

 

            5.3. Анализ работы двухполупериодного тиристорного управляемого выпрямителя на нагрузку индуктивного характера

Рассмотрим работу двухполупериодного тиристорного выпрямителя на нагрузку индуктивного характера. Схема выпрямителя приведена на рис.5.3,а, а временные диаграммы ‑ на рис.5.3,б-е. При анализе схемы рис.5.3,а будем полагать, что  в этом случае, как следует из временных диаграмм рис.5.З,г, при отрицательном значении напряжения  тиристор Т поддерживается в открытом состоянии за счет ЭДС самоиндукции дросселя L. Регулировочная характеристика двухполупериодного выпрямителя с индуктивной реакцией нагрузки определяется из уравнения (5.9).

Рис.5.3. Схема и временные диаграммы работы двухполупериодного тиристорного выпрямителя на индуктивную нагрузку

 

,              (5.9)

где . Из уравнения (5.9) видно, что предельный угол регулирования , в этом случае . Величина прямого напряжения на тиристоре определяется соотношением:

,                                                              (5.10)

а максимальное обратное напряжение на тиристоре:

.                                                                (5.11)

 

Форма регулировочной характеристики (5.9) в значительной степени определяется величиной постоянной времени . Графики нормированной регулировочной характеристики для нескольких значений  представлены на рис.5.4.

Рис.5.4. Регулировочные характеристики с различным значением постоянной времени

 

В схеме рис.5.З,а в первичной обмотке трансформатора ток  относительно напряжения  сдвигается на угол  , то есть ток  отстает по фазе от напряжения . Поэтому регулируемый выпрямитель потребляет реактивную мощность из сети, которая тем больше, чем больше угол регулирования . Отсюда коэффициент мощности  и он тем ниже, чем больше .

 

5.4. Анализ работы двухполупериодного тиристорного управляемого выпрямителя с индуктивным характером нагрузки и разрядным диодом

Рассмотрим работу двухполупериодного тиристорного выпрямителя на нагрузку индуктивного характера с обратным (разрядным) диодом. Схема выпрямителя представлена на рис.5.5,а, а временные диаграммы на рис.5.5,б-ж. В схему выпрямителя (рис.5.5,а) включают разрядный или обратный диод Д₁ с целью повышения коэффициента мощности  и снижения реактивной составляющей тока, потребляемой из питающей сети.

Рис. 5.5а. Принципиальная схема двухполупериодного управляемого выпрямителя с индуктивной реакцией нагрузки и разрядным диодом

При включении обратного диода угол  уменьшается до величины .

Роль обратного диода Д₁ (рис.5.5,а) заключается в том, что при достижении фазового угла  ток дросселя L создает на нем отрицательную ЭДС, обратный диод открывается, дроссель L через него разряжается, а тиристор Т₁ закрывается. Угол закрывания тиристоров в схеме с обратным диодом всегда равен . Отсюда следует, что ток дросселя в схеме (рис.5.5,а) на интервале  протекает через тиристор и вторичную обмотку трансформатора, а на интервале  через обратный диод (рис.5.5,б-ж).

В этом случае регулировочная характеристика выпрямителя определяется выражением:

.                                                                   (5.12)

Из (5.12) следует, что  при  , а не , как было в схеме без обратного диода.

Величина максимального обратного напряжения на тиристоре равна:

.                                                                          (5.13)

Значение прямого напряжения на закрытом тиристоре находится по формуле:

.                                                                         (5.14)

 

 

Рис.5.5. Временные диаграммы работы двухполупериодного тиристорного выпрямителя с обратным диодом

Средний прямой ток тиристора равен:

.                                                                      (5.15)

Действующее значение тока через трансформатор находится из соотношения:

.                                                                           (5.16)

Прямой средний ток обратного диода равен:

,                                                                               (5.17)

а значение максимального обратного напряжения на обратном диоде составляет величину:

.                                                                (5.18)

Преимущества схемы с обратным диодом особенно сильно проявляются при больших диапазонах регулирования выходного напряжения.

5.5.         Основные особенности регулируемых тиристорных выпрямителей

1. Уменьшение выходного выпрямленного напряжения в регулируемом тиристорном выпрямителе достигается благодаря уменьшению отбора мощности от сети переменного тока и не связано с гашением значительной её части в выпрямителе.

2. При регулировании выпрямитель потребляет не только активную, но и реактивную мощность от сети переменного тока.

3. При изменении угла регулирования  выходное выпрямленное напряжение изменяется от максимума до нуля.

4. Пульсации выпрямленного напряжения возрастают с увеличением угла регулирования .

Построение регулируемых тиристорных выпрямителей требует разработки специальных схем управления. В настоящее время известно большое разнообразие практических реализаций схем управления. Но все схемы управления регулируемыми тиристорными выпрямителями базируются, в основном, на применении двух способов:

1. Фазовый способ управления, который заключается в изменении фазы управляющих импульсов, подаваемых на управляющие электроды тиристоров, относительно фазы выпрямляемого переменного напряжения.

2. Амплитудный способ управления, заключающийся в том, что открывание тиристоров происходит лишь при определенной амплитуде выпрямляемого переменного напряжения. Причем величина амплитуды открывания тиристора зависит от сигнала постоянного тока на его управляющем электроде.