С помощью выпрямителей осуществляется преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В промышленных установках применяют различные схемы выпрямления переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравнении различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых приборов, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.
Рассмотрим типовые схемы выпрямления переменного тока.
Однофазная мостовая схема выпрямления (рис. а) содержит четыре диода V1—V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напрямую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряжения, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка Rн. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпрямителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В однофазной мостовой схеме диоды работают поочередно парами V1 , V3 и V2, V4 (рис. 5.6, б). В положительный полупериод напряжения и2ф ток проходит через диод V1 нагрузку Rн к диоду V3.
Рис. Однофазная мостовая схема выпрямления (а). Графики напряжений и тока в трансформаторе ( б), напряжения и тока в нагрузке (в)
Так как в это время диоды V2, V4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее значение которого л/2 и2ф. В отрицательный полупериод ток проходит через диод V2, нагрузку Rн к диоду V4. При этом обратное напряжение прикладывается к диодам V1 и V3. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от выпрямленного напряжения и сопротивления нагрузки.
Выпрямленное напряжение Ud (рис. в) имеет постоянную составляющую Ud ср и переменную составляющую Ud„ (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсации. При идеальном преобразовании переменного тока в постоянный переменная составляющая равна нулю. Важным показателем работы выпрямителя служит отношение амплитуды переменной составляющей к выпрямленному напряжению, называемое коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения
q= Ud/Ud ср = 2/(m2 — 1),
где m — число фаз источника.
Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения применяют в основном в электроустановках малой мощности.
Рис. 2. Трехфазная нулевая схема выпрямления (а). Графики напряжений ( б), токов (в) и обратного напряжения на диоде (г)
Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 2, а) состоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно подключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной нагрузке Rнток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (рис. 2). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, 6 и , (рис. 2, б), называемых точками естественной коммутации диодов, ток прекращает проходить в одном диоде и начинает протекать через другой диод. Трехфазная нулевая схема позволяет получать выпрямленное напряжение более сглаженной формы с переменной составляющей Ud, меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение max, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (рис. 2, в).
Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (iа2, iЬ2 и iс2) только в одном направлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вызывающий дополнительный нагрев трансформатора. Поэтому схему широко применяют только в выпрямительных установках с трансформаторами, ток вторичной обмотки которых обычно не превышает 100 А.
Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.8, а) состоит из шести диодов, которые образуют две группы: с общим катодным выводом (V1, V3 и V5) и общим анодным выводом (V2, V4 и V6). Диоды подключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник.
В нечетной группе (V1, V3 и V5) в течение каждой трети периода работает тот диод, у которого выше потенциал вывода (рис. 3, б), например, интервал а —6 для диода V1. В четной группе в этот интервал времени работает тот диод, у которого катодный вывод имеет наиболее отрицательный потенциал (интервал а — „ для диода V6 и „ — 6 для диода V2) по отношению к общей точке анодных выводов. Таким образом, в интервале а—„ (см. рис. 3, 6) ток гн проходит от фазы а трансформатора через диод V1, нагрузку Rн, диод V6, к фазе b трансформатора (см. рис. 3, а). В интервале „—6 (см. 3, 6) ток проходит через диод V1, нагрузку Rни диод V2 (отмечено пунктирной линией).
Рис. 3. Трехфазная мостовая схема выпрямления (а). Графики напряжений и токов (б)
В трехфазной мостовой схеме в любой момент времени при активной нагрузке ток проходит через два диода — один из нечетной, а другой — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, 6, в), а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков (точки г %, А). В результате при наличии двух групп получают шестифазное выпрямление (кривая Ud0, см. рис. 3, 6).
Достоинствами трехфазных мостовых схем, широко применяемых в выпрямительных устройствах, являются: небольшой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обратное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие вынужденного подмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направление.
Основные технические характеристики различных схем выпрямления приведены в табл. 2.
Основные технические характеристики схем выпрямления
Схема выпрямления | Число фаз выпрямления, m | Соотношение между электрическими параметрами схем выпрямления | Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения q = = 2/(m2 — — 1) | |||
Выпрямленным и фазным напряжениями, | Максимальным обратным и выпрямленным напряжениями, | Фазным и выпрямленным токами, | Мощностью трансформатора и мощностью преобразователя, | |||
Однофазная | 2 | 0,9 | 1,57 | 1,11 | 1,23 | 0,67 |
Трехфазная нулевая | 3 | 1,17 | 2,09 | 0,585 | 1 ,37 | 0,25 |
Трехфазная мостовая | 6 | 2,34 | 1,045 | 0,817 | 1,05 | 0,057 |
Примечание. I2 — ток вторичной обмотки трансформатора. | ||||||
Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрямленное напряжение от нуля до номинального значения.
В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямителей являются тиристоры.
Тиристоры — не полностью управляемые полупроводниковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 4, а), имеющий три электрода (анодный вывод А, катодный К и управляющий электрод У), начинает проводить ток в том случае, если к анодному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потенциала сопротивление тиристора будет зависеть от управляющего тока. При отсутствии управляющего сигнала (1у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляющего тока (1у = 1ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.
Рис. 4. Однополупериодная управляемая схема выпрямления (а). Графики напряжения на нагрузке (б), управляющих импульсов (в), тока нагрузки (г), напряжения анод-катод UAK (%)
Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательного напряжения.
Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управляющий импульс нужной формы и мощности, а также осуществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.
Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофазной сети на активную нагрузку (рис. 4, а). Предположим, что управляющий импульс в интервале со t0 — со t1 отсутствует (1у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку Rн практически не проходит (рис. 4, 6).
После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (1у = 1у н) тиристор открывается (рис. 4), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижается. Под действием напряжения сети Ц. через нагрузку Лн проходит ток гн (рис. 4, г), который зависит от напряжения сети и сопротивления резистора (интервал rot1 — rot2). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интервал rot2 — rot3) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору прикладывается обратное напряжение (рис. 4, %). На рис. 4, 6, % приняты обозначения; U, — напряжение на нагрузке; UAK — напряжение анод-катод тиристора; UyK — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.
Для изменения среднего значения выпрямленного напряжения Ud необходимо сдвинуть по фазе управляющий импульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения необходимо управляющий импульс подавать с отставанием на угол ак = rot,, по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 4, ,). Сдвиг по фазе между точкой естественной коммутации тиристора и моментом подачи управляющего импульса называется углом регулирования а.
В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод.
В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 5, а), управляющие импульсы
— U^, поступающие от СИФУ, должны соответствующим образом сфазированы с напряжением трансформатора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительной базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, 6, , и „, %, А (рис. 5, 6) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базовых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряжение Ud0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол а (см. рис. 5, 6) тиристоры открываются позже, а среднее выпрямленное напряжение Ud ср будет меньше, чем наибольшее выпрямленное Ud0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле
Ud ср = U0*cosα
где α — угол регулирования ТП.
Рис. 5. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя (а). Графики напряжений (б)
Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум через два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 5, 6), сдвинутые относительно друг друга на 60 электрических градусов. В э том случае имеет место одновременная подача импульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2 и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестифазное выпрямление (кривая Ud рис. 5, 6).
