1.2.1. Сравнительный анализ схем выпрямления

Сравним две схемы – однофазного выпрямителя с нулевым выводом и мостового выпрямителя, работающих при наиболее распространенной активно-индуктивной нагрузке. Из анализа значений типовых мощностей для выпрямителя с нулевым выводом (1.34) и мостового выпрямителя (1.57) следует, что типовая мощность выпрямителя с нулевым выводом завышена в раза. Практически это означает, что для схемы выпрямителя с нулевым выводом требуется трансформатор с повышенным значением типовой мощности, имеющий также повышенные габаритные размеры и вес.

Кроме того, вес медных проводов обмоток трансформатора с нулевым выводом, а также потери в проводах больше по сравнению с мостовым выпрямителем. В соответствии с (1.30) и (1.52) максимальное обратное напряжение вентиля в схеме с нулевым выводом в два раза выше по сравнению с мостовой схемой выпрямителя, что требует применения либо вентилей более высокого класса, либо дополнительного последовательного включения вентилей. Указанные преимущества схемы мостового выпрямителя компенсируют недостатки этой схемы, требующей вдвое больше числа вентилей. Мостовая схема выпрямителя и ее модификации получили широкое распространение на подвижном составе железных дорог переменного тока.

Форма тока, потребляемого мостовым выпрямителем, принципиально не отличается от схемы выпрямителя с нулевым выводом: ток имеет прямоугольную форму и совпадает по фазе с питающим напряжением . В этой связи коэффициент мощности мостового выпрямителя также определяется формой потребляемого тока . Для прямоугольной формы тока ( ) при = =0,9, т. е. значение этого выпрямителя не отличается от ранее рассмотренной схемы выпрямителя с нулевым выводом (рис. 1.1).

Выводы

1. Улучшение энергетических показателей выпрямителей связано с приближением фазы потребляемого тока к питающему напряжению и улучшению синусоидальности формы потребляемого тока.

2. Наилучшие энергетические показатели имеет неуправляемый выпрямитель, являющийся прототипом электровозов со ступенчатым регулированием напряжения (ВЛ80 Т, С).

Контрольные вопросы

1. Назовите соотношение между напряжением вторичной обмотки (полуобмотки) однофазного трансформатора и выпрямленным напряжением для следующих видов нагрузок:

а) чисто активной;

б) активно-индуктивной;

в) активно-ёмкостной.

2. Проведите сравнительный анализ однофазного выпрямителя с нулевым выводом и однофазного мостового выпрямителя.

3. Сравните значения типовой мощности трансформатора однофазных выпрямителя с нулевым выводом и мостового выпрямителя.

4. Назовите особенности работы однофазного выпрямителя на противоэдс нагрузки.

5. Сравните максимальную величину обратного напряжения на вентиле однофазного выпрямителя с нулевым выводом и мостового выпрямителя.

Раздел 2 управляемые выпрямители

Рекомендуемая литература: [3, 10, 12, 16].

2.1. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

2.1.1. Работа выпрямителя при активной нагрузке

В настоящее время на подвижном составе железных дорог переменного тока используются два основных способа регулирования напряжения на тяговых двигателях: ступенчатое и плавное. В первом случае напряжение на двигателях электровоза изменяется путем переключения ступеней вторичной обмотки трансформатора, при котором увеличивается или уменьшается величина переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель локомотива. При ступенчатом регулировании, в соответствии с (1.2), с изменением величины переменного напряжения изменяется и среднее значение выпрямленного напряжения , подаваемое на двигатели. При плавном регулировании напряжения изменение напряжения на двигателях в пределах одной зоны регулирования осуществляется с помощью управляемого выпрямителя (УВ) методом фазового управления тиристорами. При этом становится возможным плавно изменять величину напряжения на двигателях, тогда переменное напряжение на входе управляемого выпрямителя остается неизменным, а регулирование выходного напряжения УВ происходит только за счет изменения угла открытия тиристоров выпрямителя. Это упрощает конструкцию трансформатора и позволяет избавиться от громоздких устройств переключения секций его обмоток.

Однофазные управляемые выпрямители выполняют по схемам выпрямителя с нулевым выводом и мостового выпрямителя, где вместо неуправляемых полупроводниковых приборов – вентилей в схему включают полууправляемые вентили – тиристоры. Следует иметь в виду, что по цепи управляющего электрода тиристора можно управлять только его включением, его выключение осуществляется только за счет уменьшения прямого анодного тока до нуля.

П

Рис. 2.1. Схема управляемого выпрямителя с нулевым выводом

ринцип действия управляемого выпрямителя рассмотрим на примере схемы выпрямителя с нулевым выводом, работающим при чисто активной нагрузке , схема выпрямителя которого показана на рис. 2.1.

В плечи управляемого выпрямителя включены тиристоры и , управляемые импульсами управления и , которые генерируются системой управления (СУ) выпрямителя. Поскольку в преобразователе используются тиристоры с общим катодом, импульсы управления и подаются между управляющими электродами тиристоров и общей точкой соединения их катодов.

Диаграмма работы управляемого выпрямителя показана на рис. 2.2, а–ж.

Рассмотрим работу преобразователя с некоторым углом  управления тиристорами, при котором импульсы управления и поступают на тиристоры и выпрямителя с задержкой на угол  относительно начала полупериода. При этом импульс подается на управляющий электрод тиристора при положительной полуволне напряжения на его аноде (интервалы 0 – ). Включение осуществляется импульсами управления на интервалах ( ), когда на его анод поступает положительная полуволна напряжения . Только в этом случае обеспечиваются условия для открытия тиристора выпрямителя: наличие импульса управления между управляющим электродом и катодом тиристора при положительной полярности напряжения между его анодом и катодом. Очередность подачи импульсов управления показана на рис. 2.2, б.

Рис. 2.2. Диаграммы работы управляемого выпрямителя с нулевым выводом

Рассмотрим работу выпрямителя на отдельных временных интервалах. При положительной полуволне напряжения (интервал ) во вторичных полуобмотках трансформатора действуют напряжения и (рис. 2.2, в), полярность которых показана на рис. 2.1 без скобок. На интервале  оба тиристора выпрямителя находятся в закрытом состоянии: на анод поступает напряжение отрицательной полярности, при положительном напряжении на аноде он остается в закрытом состоянии, поскольку отсутствует отпирающий импульс управления . Следовательно нагрузка отключена от вторичных обмоток трансформатора закрытыми вентилями , поэтому напряжение на выходе выпрямителя (рис. 2.2, г).

В момент времени на управляющий электрод тиристора подается отпирающий импульс . При положительном напряжении на аноде он переходит в проводящее состояние и подключает нагрузку к обмотке трансформатора с напряжением . При нулевом падении напряжения на тиристоре полуволна напряжения поступает на нагрузку, поэтому на интервале выпрямленное напряжение повторяет форму напряжения обмотки трансформатора . Через открытый вентиль замыкается ток нагрузки , поэтому на интервале проводимости вентиля его ток повторяет форму тока нагрузки: (рис. 2.2, д). При чисто активной нагрузке выпрямленный ток (на рисунке не показан) повторяет форму выпрямленного напряжения . В момент времени с уменьшением до нуля прямого анодного тока вентиля , происходит его закрытие.

При происходит смена полярности напряжения вторичных обмоток трансформатора. Во втором полупериоде на интервале (полярность напряжений указана на рис. 2.1 в скобках) вентили выпрямителя находятся в закрытом состоянии, поскольку вентиль после закрытия находится под обратным напряжением , а на вентиль еще не подан отпирающий импульс.

В момент импульсом управления открывается тиристор и подключает нагрузку к напряжению с той же полярностью , что и в первом полупериоде. На нагрузке действует положительная полуволна напряжения , определяемая напряжением , т. е. .

Таким образом, как и в рассмотренной ранее схеме выпрямителя с нулевым выводом (рис. 1.1), напряжение нагрузки представляет собой положительные полуволны напряжения, определяемые формой напряжения вторичных обмоток трансформатора и . Отличие состоит в том, что на интервале задержки открытия тиристоров  выпрямленное напряжение

.

В момент прямой анодный ток тиристора спадает до нуля (рис. 2.2, е) и он переходит в непроводящее состояние, после чего процессы в схеме выпрямителя повторяются.

Выясним форму напряжения, например на тиристоре выпрямителя, и рассчитаем максимальную величину обратного напряжения, прикладываемую к вентилю в закрытом состоянии. На интервале оба тиристора находятся в закрытом состоянии, при этом напряжение на положительно, а тиристор находится под обратным напряжением. К закрытым тиристорам  прикладывается суммарное напряжение двух обмоток трансформатора: . Если принять сопротивление закрытых тиристоров в прямом и обратном направлении одинаковым, то на вентиле будет действовать положительное напряжение , определяемое напряжением обмотки трансформатора с напряжением (рис. 2.2, ж). Последующему интервалу соответствует проводящее состояние вентиля , поэтому напряжение на нем определяется принятым нулевым падением напряжения на открытом тиристоре, т. е. . На интервале оба вентиля выпрямителя вновь переходят в непроводящее состояние, в этом случае, как и на интервале , между ними поровну распределяется суммарное напряжение вторичных обмоток трансформатора. На интервале вентиль находится под обратным напряжением, определяемым формой напряжения обмотки трансформатора. В момент времени открывается тиристор и соединяет катод с обмоткой с напряжением , при этом анод соединен с обмоткой с напряжением  . Таким образом, к тиристору в обратном направлении прикладывается суммарное напряжение двух обмоток трансформатора , на этом интервале форма напряжения совпадает с обратным напряжением вентиля в схеме неуправляемого выпрямителя с нулевым выводом. Максимальная величина обратного напряжения тиристора рассчитывается по формуле

,

где – действующее значение напряжения на обмотке трансформатора.

Токи вторичных обмоток трансформатора определяются анодными токами соответствующих тиристоров (рис. 2.2, д, е), значения тока первичной обмотки трансформатора связаны с токами вторичных обмоток коэффициентом трансформации . Поскольку тиристоры выпрямителя не проводят ток на интервалах , на этих интервалах отсутствуют токи вторичных обмоток трансформатора и в форме сетевого тока появляются участки с  = 0. Из рис. 2.2, а следует, что ток , по сравнению со схемой неуправляемого выпрямителя, отстает по фазе от сетевого напряжения вследствие появления токовых пауз в форме тока на интервалах .

Достоинством работы управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла управления . Среднее значение выпрямленного напряжения определяется средним значением кривой выпрямленного напряжения . При форма напряжения соответствует кривой выпрямленного напряжения неуправляемого выпрямителя при чисто активной нагрузке. Для этого случая напряжение рассчитывается по формуле: При среднее значение напряжения Таким образом, изменив величину угла регулирования  от 0 до , можно изменять среднее значение выпрямленного напряжения от максимального значения до нуля. На рис. 2.3 показана форма выпрямленного напряжения при различных углах регулирования  и соответствующее этим кривым среднее значение напряжения .

Рис. 2.3. Кривые напряжения при различных углах регулирования 

Установим связь между средним значением выпрямленного напряжения и углом регулирования . На интервале проводимости тиристоров выпрямителя напряжение определяется полуволной напряжения вторичной обмотки трансформатора и описывается уравнением: ( – амплитудное значение напряжения ). Среднее за период повторяемости значение выпрямленного напряжения вычислим по известной формуле (1.2), с учетом изменившегося значения нижнего предела интегрирования, который для схемы управляемого выпрямителя стал равным . В результате расчета получаем

. (2.1)

С учетом полученного выше соотношения (1.2)

, (2.2)

тогда формула (2.1) принимает вид

. (2.3)

В

Рис. 2.4. Регулировочные характеристики управ­ляемого выпрямителя

выражениях (2.2 и 2.3) – среднее значение выпрямленного напряжения при , что соответствует выпрямленному напряжению неуправляемого выпрямителя при том же действующем значении напряжения обмотки трансформатора . Графической интерпретацией формулы (2.3) является регулировочная характеристика выпрямителя (рис. 2.4), показывающая зависимость среднего значения напряжения управляемого выпрямителя от угла регулирования . Для чисто активной нагрузки зависимость показана в виде верхней кривой (рис. 2.4), для которой .

Из рис. 2.4 следует, что при изменении величины угла регулирования  от 0 до 180 эл. град. происходит плавное уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения от до нуля, т. е. плавное регулирование напряжения.