Лекция 8. Управляемый выпрямитель

Принцип действия

Регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя (УВ) достигается управлением моментом открывания тиристоров преобразователя. В большинстве УВ используется импульсно-фазовый способ управления. Сущность его заключается в том, что на управляющий электрод (УЭ) тиристора периодически с частотой питания анодного напряжения подается электрический импульс, который может меняться по фазе по отношению к анодному напряжению.Тем самым изменяется момент открывания тиристора. Угол , отсчитываемый от момента естественного открывания тиристора (когда потенциал анода становится больше потенциала катода) до

момента подачи управляющего импульса, называется углом регулирования (управления) тиристора.

Р ассмотрим принцип регулирования напряжения на примере включения тиристора по однофазной однополупериодной схеме выпрямления (рис.1).

Управляющие импульсы образуются с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ), служащего для изменения угла регулирования . Допустим, что на УЭ тиристора VS1 от СИФУ подан импульс в момент времени t₁ . Этот импульс открывает тиристор и к нагрузке Z_н скачком будет приложено напряжение, которое будет изменяться по кривой U_н. В момент времени t₂ напряжение U_н становится равным нулю и тиристор закрывается, т.к. к нему приложено напряжение отрицательной полуволны. На интервале t₂ - t₃ ток через нагрузку не протекает. В момент t₃ на УЭ тиристора подается следующий импульс управления с СИФУ и работа схемы повторяется. На рис.2 показан график зависимости U_н от угла открывания тиристора . Максимальное напряжение U_нo получается при полностью открытом тиристоре, когда угол =0 (естественное открывание относительно синусоиды напряжения питания).

И зменяя угол  , можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения. Аналогично протекают процессы открывания и закрывания тиристоров и в каждой фазе многофазных тиристорных преобразователей, например, в трехфазной мостовой. Выпрямленные напряжение и ток содержат постоянную и переменную составляющие. Наличие пульсаций (переменной составляющей) ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока и увеличивает потери в них. Поэтому на выходе УВ устанавливается индуктивный фильтр, включаемый последовательно с якорем двигателя (нагрузкой). Этот фильтр обладает большим реактивным сопротивлением для переменной составляющей выпрямленного тока, которая значительно уменьшается. Падение напряжения от этой составляющей на активном сопротивлении фильтра незначительно. Другим средством уменьшения пульсаций является использование многофазных схем выпрямления.

Основные силовые схемы однофазных УВ

Количественные показатели работы силовой схемы характеризуются следующими коэффициентами:

1) коэффициентом схемы Ксх=Ud/U2,

где U₂ - напряжение вторичной обмотки трансформатора,

U_d - среднее значение выпрямленного напряжения;

2) коэффициентом пульсаций Кп=Uпmax/Umax ,

где Uпmax - максимальная амплитуда пульсаций,

Umax - амплитуда выпрямленного напряжения;

3. коэффициентом использования трансформатора Ки=Sт/Pd,

где S_т - полная мощность трансформатора,

P_d - выпрямленная мощность в нагрузке.

Отметим следующие соотношения для расчета тока и напряжения тиристора, используемые при выборе тиристоров:

4. средний ток через тиристор I_vs= k_зап* I_d/(n* К_о),

где К_о - коэффициент, учитывающий способ охлаждения тиристора (Ко=1 при водяном охлаждении, К_о=0,3 при естественном воздушном охлаждении, К_о=0,3...0,6 при принудительном воздушном охлаждении);

I_d - средний выпрямленный ток, k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение тока, k_зап =1,25…2,0;

n - число тактов выпрямления схемы, n=1 (однофазная однополупериодная), n=2 (однофазная нулевая и мостовая);

5. максимальное напряжение тиристора,

U_{обр.макс.} = k_зап  U_2н

где k_зап – коэффициент запаса, учитывающий превышение напряжения, k_зап =1,25…2,0.

Однофазная однополупериодная схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.3. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор,

V S1 - тиристор силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка.

Импульсы управления подаются на управляющий электрод тиристора VS1 с частотой питающего напряжения ~U_c.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,45; К_п=1,0; К_и=3,5.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_vs=К_зап*U₂*2, I_vs= К_зап*I_d/ К₀).

Достоинства схемы:

• небольшое число тиристоров,

• малое число каналов управления тиристорами,

Недостатки схемы:

• низкий коэффициент схемы,

• завышенная мощность силового трансформатора вследствие подмагничивания его вторичной обмотки выпрямленным током,

• большие габариты и вес сглаживающего фильтра.

Применение схемы: бытовые электрорегуляторы.

Однофазная нулевая схема

С хема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.4. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VS1 – VS2 - тиристоры силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка. Импульсы управления подаются на тиристоры VS1,VS2 со сдвигом 180^o.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9; К_п=1,0; К_и=1,34.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_vs=К_зап*U₂*2, I_vs= К_зап*I_d/(2* К_о).

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной однополупериодной):

- лучший коэффициент использования трансформатора,

- меньше габариты и вес сглаживающего фильтра.

Недостатки схемы:

• большее число тиристоров,

• большее число каналов управления тиристорами.

Применение схемы: электропривод малой мощности, а также преобразователи различных технологических установок.

Однофазная мостовая схема

Схема и диаграмма выпрямленного напряжения показаны на рис.5. На схеме обозначены: TV1 – согласующий силовой трансформатор, VS1 - VS4 - тиристоры силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка.

Импульсы управления подаются синхронно попарно на тиристоры VS1,VS4 и со сдвигом 180^o на тиристоры VS2,VS3.

Схема имеет следующие количественные показатели:

К_сх=0,9, К_п=1,0, К_и=1,1.

Основные расчетные соотношения в схеме:

U_vs=К_зап*U₂*2, I_vs= К_зап*I_d/(2* К_о).

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной нулевой):

• больший коэффициент схемы,

• проще конструкция трансформатора (без средней точки).

Недостатки схемы:

• большее число тиристоров,

• большее число каналов управления тиристорами.

П рименение схемы: электропривод малой мощности, блоки питания, зарядные устройства.

Однофазная мостовая полууправляемая схема

Схема показана на рис.6. На схеме обозначены: VS1 – VS2 - тиристоры силовой схемы, VD1 – VD2 - диоды силовой схемы, L1 - сглаживающий дроссель, Z_н - нагрузка. Диаграммы выпрямленного напряжения этой схемы аналогичны диаграммам, показанным на рис.5.

Импульсы управления подаются на тиристор VS1 и со сдвигом 180^o на тиристор VS2.

Схема имеет те же количественные показатели и расчетные соотношения, что и предыдущая.

Достоинство схемы (по сравнению с однофазной мостовой):

• меньшее число тиристоров и каналов управления ими.

Недостатки схемы:

• невозможность режима инвертирования.

Применение схемы: электропривод малой мощности, блоки питания, зарядные устройства.

Статические характеристики УВ

Регулировочная характеристика УВ, отражающая зависимость U_н=U_нo*cos, показана на рис.2.

Выходные характеристики УВ показаны на рис.12 и имеют две явновыраженные зоны: зону непрерывных токов (знт), где характеристики идут параллельно и обладают значительной жесткостью, и зону прерывистых токов (зпт), где характеристики расположены веерообразно с различной степенью жесткости. Предпочтительной зоной работы УВ является зона непрерывных токов, поэтому стараются уменьшить величину зоны прерывистых токов за счет включения в цепь нагрузки добавочной индуктивности или скорректировать характеристики УВ в этой зоне специальными звеньями системы управления .

Область применения УВ:

1. Управляемый электропривод постоянного тока.

2. Электротехнологические установки.

3. Зарядные устройства.