Высшие гармоники в кривой выпрямленного напряжения и первичного тока. Кривая выпрямленного напряжения любой схемы выпрямления состоит их двух составляющих; постоянной Ud, равной его среднему значению, и переменной U^^. определяемой суммой высших гармонических. Действующее значение напряжения высших гармоник зависит от числа фаз выпрямителя, схемы соединения вентилей и угла управления. Таблица 2 дает представление о содержании напряжения высших гармоник по отношению к среднему значению выпрямленного напряжения для различных схем.
Числовые отношения при полном открытии вентилей выпрямителя (а = 0) указывают на уменьшение действующего значения напряжения с увеличением частоты гармонической. Увеличение угла управления выпрямителя также приводит к росту отношения. Из табл. 2 видно, что преобладающее влияние для всех схем выпрямления имеет гармоническая первой кратности по отношению к частоте сети.
Таблице 2. Гармонический состав выпрямленного напряжения при различном числе фаз и угле управления выпрямителя
Схемы выпрямления | Частота высших гармоник fn » nmfc. Гц | Относительное содержание высших гармонических при различных углах управления а выпрямителя | |||
0° | 30° | 60° | 90° | ||
Однофазная двух- полупериодная и мостовая,т -2 | 2-50=100 | 0,472 | 0,625 | 0,851 | 0.968 |
4-50=200 | 0,094 | 0.203 | 0,334 | 0,392 | |
6-50=300 | 0,041 | 0,142 | 0,234 | 0,266 | |
Трехфазная нулевая, т = 3 | 3-50=150 | 0,176 | 0,31 | 0,47 | 0,53 |
6-50=300 | 0,041 | 0,14 | 0,21 | 0,25 | |
9-50=450 | 0,017 | 0,08 | 0,14 | 0.16 | |
Трахфазная мостовая и шестифазная нулевая, т — 6 | 6-50=300 | 0,041 | 0,14 | 0,21 | 0,25 |
12-50=600 | 0,011 | 0,06 | 0,11 | 0,12 | |
18-50=900 | 0,004 | 0,04 | 0,07 | 0.08 | |
Примечания: 1. Здесь приведены действующие значения гармонических Ufj^ для к = 1, 2, 3 по отношению к среднему значению выпрямленного напряжения U(j0 управляемого выпрямителя. 2. Для неуправляемых выпрямителей относительные значения гармонических U^ получаются при а = 0°.
Кривая тока первичной обмотки трансформатора /,, т.е. потребляемого из питающей сети тока, зависит также от схемы выпрямителя и характера нагрузки. Входной ток синусоидальной формы возможен только в однофазных двухполупериодных схемах при чисто активной нагрузке. Во всех других схемах выпрямления ток /", отличается от синусоиды.
Сглаживающие фильтры.
Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых от выпрямителей. Например, при питании двигателей постоянного тока пульсирующим напряжением ухудшаются условия коммутации тока и увеличиваются потери в двигателе. При питании радиоаппаратуры пульсации напряжения резко ухудшают работу устройств, создавая на выходе усилителей фон, т.е. дополнительные колебания выходного напряжения низкой частоты. Вследствие этого пульсации напряжения на нагрузке должны быть снижены до значений, при которых не сказывалось бы их отрицательное влияние на работу установок.
Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром. Схема включения фильтра Фсг приведена на рис. 33,з.
Сглаживающие фильтры можно разделить на пассивные и активные (электронные) . Пассивные фильтры выполняются на основе реактивных элементов — дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивление переменному току и наоборот — постоянному. Активные (электронные) фильтры содержат электронные элементы — транзисторы или электронные лампы. Эффективность сглаживающего фильтра оценивают по его способности уменьшать пульсацию напряжения на нагрузке.
Значение пульсации напряжения на выходе выпрямителя оценивается коэффициентом пульсаций q, который равен отношению амплитуды основной (первой) гармоники пульсаций U~lm к постоянной составляющей выпрямленного напряжения т.е. q = U~ln1/Ud.
Пульсация напряжения на нагрузке характеризуется коэффициентом qi, который равен отношению амплитуды основной
Рис. 33. Схемы включения фильтров:
а — структурная схема выпрямителя с фильтрами; б — емкостный фильтр; в — индуктивный фильтр; гид — кривые напряжений и токов С- и L -фильтров
гармоники пульсаций Ud на нагрузке к среднему значению напряжения UdH на нагрузке, т.е. = UdrjUdн
Внешние характеристики силовых выпрямителей. В реальных схемах выпрямления с ростом тока нагрузки мгновенное значение напряжения и среднее значение напряжения выпрямителя U(j уменьшаются вследствие падения напряжения в активном
Рис. 34. Схемы смежных фильтров;
сопротивлении обмоток трансформатора ДUT и последовательных элементах сглаживающего фильтра AU$, падений напряжения в вентилях AUB и в индуктивном сопротивлении AUX, которое проявляется при процессах коммутации. Это явление отражает внешняя характеристика выпрямителя, которая представляет собой зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т.е. Ud = f(ld).
Рис. 35. Внешние характеристики выпрямителей большей мощности: а - для неуправляемых схем; б - для управляемых схем при различных углах а
Регулировочные характеристики управляемых преобразователей. Одной из важнейших характеристик преобразователя на тиристорах является зависимость среднего значения выпрямленного напряжения Uda от угла управления а. При непрерывном выпрямленном токе (без учета потери напряжения от коммутации тока) для всех схем выпрямления эта зависимость определяется выражением
(67)
где Ud0 — наибольшее (предельное) значение выпрямленного напряжения управляемого преобразователя при а = 0, равное среднему значению выпрямленного напряжения неуправляемого преобразователя при одинаковых фазных напряжениях U2 ф трансформаторов обеих схем.
Из (67) видно, что при угле управления 90° выпрямленное напряжение будет равно нулю. Это возможно лишь в том случае, если катодная индуктивность Ld в течение части положительного полупериода запасла необходимое количество энергии UdLd/2) для поддержания выпрямленного тока постоянным в течение такой же части отрицательного полу периода (см. рис. 31,в).
Режим непрерывного тока id по всему диапазону изменения угла а требует наличия бесконечно большой индуктивности Ld. В этом случае очень малые пульсации выпрямленного тока создают на катодной индуктивности Ld ЭДС самоиндукции, которая поддерживает ток id непрерывным при отрицательных значениях напряжения ud.
На практике же в большинстве случаев Ld имеет конечное значение, поэтому запасенной в ней энергии оказывается достаточно только для того, чтобы обеспечить протекание тока лишь в течение некоторой части отрицательного полупериода и2ф.
Выпрямленный ток становится прерывистым, напряжение ud возрастает, и для получения выпрямленного напряжения Uda = = 0 необходимо увеличить угол а, чтобы он был больше 90°. Например, среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного управляемого выпрямителя с активной нагрузкой (см. рис. 24) будет равно нулю при а = 150°, для двухфазной схемы при а = 180° (см. рис. 21).
На рис. 36,з построены регулировочные характеристики управляемых выпрямителей при числе фаз выпрямления т =2,3 и 6 и двух значениях катодной индуктивности: Ld = 0 и Ld = Среднее значение выпрямленного напряжения Uda указано в долях максимального Udo в зависимости от угла управления а.
Из рисунка видно, что с увеличением 4HCiia фаз выпрямления все больший участок характеристик Uda = f (а) при Ld = 0 и Ld — °° становится общим. Для двухполупериодной схемы выпрямления разница между этими кривыми значительна, и даже при индуктивности фильтра, уменьшающей пульсации выпрямленного напряжения до 1 %, критический ток в этой схеме (ток, при котором справедлив закон Uda = Ud0 cosO) достигает примерно 30%.
Рис. 36. Регулировочные характеристики управляемых выпрямителей при различном числе фаз выпрямления (а) и обобщенная характеристика (б)
Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей. Регулирование выходного напряжения выпрямителей с целью его уменьшения приводит к возрастанию угла а и увеличению потребляемой из сети реактивной мощности - сеть дополнительно загружается реактивным током индуктивного характера. Поэтому на практике при использовании управляемых выпрямителей средней и большой мощности часто принимают меры по повышению коэффициента мощности.
Одним из простейших способов повышения cos φ, является установка источников реактивной мощности, например конденсаторов на входе выпрямителя. Благоприятно сказывается на повышении коэффициента мощности выпрямительной установки применение сетевых фильтров (см. рис. 33,а), предназначенных для исключения из питающей сети высших гармоник тока.
Другим сравнительно простым способом является использование в выпрямителях трансформаторов с отпайками на различные значения вторичного напряжения. В этом случае для уменьшения выпрямленного напряжения Ud вместо увеличения угла управления а переключают вентильный блок на отпайку вторичной обмотки с более низким напряжением и2ф. Данный способ обеспечивает дискретное (скачкообразное) регулирование выпрямленного напряжения, а наличие механического переключающего устройства снижает надежность и долговечность установки.
Более эффективным способом повышения коэффициента мощности входного устройства (ВУ) является применение выпрямителей с искусственной коммутацией тока. В таких выпрямителях регулирование выходного напряжения осуществляют изменением опережающего угла а, т.е. коммутация тока ld вентилями происходит с опережением относительно точек их естественного отпирания. Потребляемый установкой ток здесь имеет не отстающий, а опережающий характер, и выпрямитель будет работать в режиме с емкостной мощностью, т.е. генерировать в сеть реактивную мощность [подробнее см. 2, 2].
