2.1.3. Анализ энергетических показателей управляемого выпрямителя

Как отмечалось выше, работа управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке вызывает отставание сетевого тока (рис. 2.7, а) от питающего напряжения на угол регулирования . Это приводит к ухудшению энергетических показателей выпрямителя, в частности коэффициента мощности . Прямоугольную форму тока характеризует полученное выше значение коэффициента искажения тока: 0,9. В этом случае, в соответствии с (1.38), значение коэффициента мощности составляет:

. (2.5)

Поскольку фазовый угол  определяется углом регулирования , выражение (2.5) может быть представлено виде

. (2.6)

Из (2.4) следует, что

, (2.7)

поэтому формулу (2.6) можно переписать в виде

. (2.8)

И

Рис. 2.8. Сравнительный анализ значений коэффициента мощности

з выражения (2.8) следует, что коэффициент мощности управляемого выпрямителя (при постоянном ) определяется средним значением выпрямленного напряжения . При малых значениях , соответствующих работе выпрямителя с углом регулирования эл. град., коэффициент мощности  . При увеличении возрастает значение (2.7) и величина . При в соответствии с (2.4) , поэтому коэффициент мощ­ности управляемого выпрямителя (2.8) достигает своего максимального значения: . При режим работы управляемого выпрямителя соответствует работе неуп­равляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке. На рис. 2.8 для сравнения приведены значения в за­висимости от относительного значе­ния выпрямленного напряжения .

Прямые а и б соответствует значениям неуправляемого и управляемого выпрямителей, работающих на активно-индуктивную нагрузку. Поскольку неуправляемого выпрямителя (1.38) не зависит от напряжения нагрузки, то он составляет = 0,9. График коэффициента мощности неуправляемого выпрямителя представляет прямую линию с ординатой  = 0,9. В соответствии с (2.8) управляемого выпрямителя прямо пропорционален отношению , поэтому график имеет линейную зависимость от . Из анализа (рис. 2.8) следует, что работу управляемого выпрямителя отличают более низкие значения коэффициента мощности, а это требует применения специальных мер для улучшения энергетических показателей такого типа преобразователя.

2.1.4. Управляемый выпрямитель с нулевым вентилем

Н

Рис. 2.9. Управляемый выпрямитель с нулевым вентилем

екоторого увеличения коэффициента мощности управляемого выпрямителя можно достичь за счет включения в цепь выпрямленного тока нулевого вентиля (рис. 2.9) [15].

Рассмотрим процессы в схеме такого выпрямителя при индуктивной нагрузке ( ), когда ток нагрузки идеально сглажен (рис. 2.9). Диаграммы работы выпрямителя с включенным нулевым диодом показаны на рис. 2.10, а, б, в, г, д, е, ж.

Интервал проводимости вентиля определяется интервалом , когда к цепи -нагрузки прикладывается отрицатель­ная полуволна напряжения , полярность которого показана на рис. 2.9 в скобках. Для вентиля это напряжение является отпирающим, поэтому он переходит в проводящее состояние. Открытый вентиль шунтирует цепь -нагрузки, вследствие чего ток нагрузки , протекающий через цепь тиристоров или , переходит в цепь вентиля . На интервале  ток замыкается через вентиль по контуру, показанному на рис. 2.9. На интервалах  ток нулевого вентиля (рис. 2.10, е) определяется током нагрузки , а токи тиристоров становятся равными нулю (рис. 2.10, г, д). При включении очередного тиристора выпрямителя или к нагрузке прикладывается полуволна положительного напряжения вторичных обмоток трансформатора; полярность выпрямленного напряжения показана на рис. 2.9 без скобок. Это напряжение является для вентиля обратным, и он переключается в непроводящее состояние. До начала следующего полупериода работа выпрямителя не отличается от рассмотренных выше процессов в схеме выпрямителя без нулевого диода.

Рис. 2.10. Диаграммы работы управляемого выпрямителя с нулевым вентилем

На интервале  открытым вентилем происходит шунтирование цепи нагрузки, поэтому напряжение на нагрузке определяется нулевым падением напряжения на нулевом вентиле, т. е. (рис. 2.10, б).

Поскольку ток первичной и вторичных обмоток трансформатора определяется током тиристоров и , отсутствие токов на интервалах  вызывает появление токовых пауз как в цепи вторичных, так и в первичной обмотке трансформатора. На этих интервалах ток нагрузки замыкается через цепь обратного вентиля , минуя цепь тиристоров и вторичных обмоток трансформатора. Поскольку первичный ток связан с током вторичных обмоток трансформатора коэффициентом трансформации , на интервалах  сетевой ток также равен нулю (рис. 2.10, а). Первая гармоника сетевого тока отстает от питающего напряжения на угол , в то время как для ранее рассмотренной схемы он составлял .

Таким образом, включение нулевого вентиля позволило за счет уменьшения угла  увеличить значение = и улучшить энергетические показатели выпрямителя.

Кривая напряжения на тиристоре (рис. 2.6, ж), а также форма выпрямленного напряжения (рис. 2.6, б) соответствуют работе управляемого выпрямителя при чисто активной нагрузке. Включение нулевого вентиля расширяет диапазон регулирования выпрямленного напряжения  от 0 до 180 эл. град., поэтому регулировочная характеристика этого выпрямителя, соответствующая чисто активной нагрузке, показана в виде кривой с (рис. 2.4).

Выясним, в какой степени включение нулевого вентиля повлияло на величину коэффициента мощности управляемого выпрямителя, работающего при активно-индуктивной нагрузке. Расчет проведем в соответствии с формулой (1.21), для этого воспользуемся кривыми сетевого напряжения и тока , показанными на рис. 2.10, а. Поскольку в течение первого полупериода ток протекает через первичную обмотку трансформатора только на интервале , действующее значение тока рассчитаем по (1.12), с учетом величины тока: . Кроме того, примем во внимание, что во втором полупериоде при расчете по (1.12) интегрируются квадраты отрицательных значений тока: , поэтому рассчитанные на интервале значения интеграла тока удваиваются. С учетом этих обстоятельств выражение для расчета тока принимает вид

. (2.9)

С учетом (2.9) полная мощность определяется из соотношения

, (2.10)

где – действующее значение напряжения первичной обмотки трансформатора.

Активную мощность: выпрямителя рассчитаем с учетом знака тока: на интервалах протекания сетевого тока и :

, (2.11)

где – амплитудное значение напряжения .

После преобразования получаем

. (2.12)

Подставив полученные значения и в выражение для коэффициента мощности, получаем

. (2.13)

Поскольку при включении нулевого вентиля форма выпрямленного напряжения соответствует напряжению при чисто активной нагрузке, то среднее значение напряжений и при связано соотношением

. (2.14)

Подставив в (2.13) значение из (2.14), получаем расчетную формулу для коэффициента мощности:

. (2.15)

На рис. 2.8 показана зависимость от относительной величины напряжений (кривая в). Значения кривой в получены в результате совместного решения уравнений (2.14) и (2.15). Так, значения  в выражении (2.15) рассчитываются по формуле (2.14) для каждого значения отношения . Из анализа рис. 2.8 следует, что включение обратного диода позволяет увеличить коэффициент мощности управляемого выпрямителя (кривая в), однако это существенным образом не изменило характер зависимости , значения которого остались на низком уровне.