Силовые электроустановки, в том числе потребители гидромеханизации, получают питание от источников и сетей переменного тока. Между тем некоторые механизмы оборудуются электрическим приводом, действующим на постоянном токе. Этим достигаются такие характеристики, которые невозможно получить в приводе на переменном токе. Помимо того, определенные разновидности электрических аппаратов постоянного тока работают более устойчиво; их конструкция проще и надежней по сравнению с аппаратами переменного тока. Известные элементы и узлы схем управления и контроля принципиально действуют только на постоянном токе.
В современной технике весьма широкое распространение получило преобразование переменного тока в постоянный с помощью вентилей. Такие преобразователи называются выпрямителями.
Использование вентилей основывается на их свойстве пропускать ток только в одном направлении. При переменном периодическом токе через вентиль ток проходит только в течение положительных полупериодов переменного напряжения.
Выпрямители образуются различным соединением группы вентилей в схемы, каждая из которых характеризуется определенными расчетными соотношениями. Наиболее важными величинами, определяющими выпрямление тока, в каждой схеме являются средние значения выпрямленного напряжения и тока и амплитудное значение обратного напряжения, приложенного к вентилю.
В качестве вентилей подавляющим образом служат полупроводниковые диоды, преимущества которых в настоящее время признаны неоспоримыми.
В электрическом приводе гидромеханизации применяются выпрямительные устройства мощностью до 100 кВт, что, однако, не является пределом.
Схемы выпрямления разделяются на однотактные и двухтактные. В первой разновидности вентиль пропускает лишь одну (положительную) полуволну переменного напряжения, во второй — различные вентили или их группы пропускают поочередно обе полуволны.
Однотактные и двухтактные схемы отличаются средними значением и частотой пульсации выпрямленного напряжения, а также амплитудой обратного напряжения.
Ниже приводятся соотношения главных параметров для различных схем выпрямления при синусоидальной форме кривой переменного напряжения и активной нагрузке выпрямителя.
Однотактные выпрямители
Однотактный однофазный выпрямитель, называемый также однополупериодным выпрямителем, показан на рис. 4-16,а.
Схема характеризуется следующими основными соотношениями:
Рис. 4-16. Однотактное выпрямление переменного, тока.
а —схема; б — диаграмма выпрямленного напряжения.
где U —действующее значение приложенного напряжения; Ud —среднее значение выпрямленного напряжения; Uобр.макс — максимальное (амплитудное) значение обратного напряжения.
Значение выпрямленного тока определяется как частное от деления среднего напряжения на сопротивление.
Из приведенных соотношений и рассмотрения диаграммы выпрямленного напряжения (рис. 4-16,б), следует, что схема обладает существенными недостатками: большая пульсация, постоянная составляющая (среднее значение) выпрямленного напряжения значительно ниже приложенного, высокое (относительно выпрямленного напряжения) значение обратного напряжения.
5 силовых, цепях применение однофазного однополупериодного выпрямления ограничено.
Двухтактные выпрямители
Двухта1ггные однофазные выпрямители выполняются в двух различных исполнениях: а) со средней точкой вторичной обмотки питающего трансформатора и б) по мостовой схеме. Двухтактные выпрямители иначе называются двухполупериодными.
Выпрямитель со средней точкой (рис. 4-17,а) имеет два вентиля, каждый из которых является проводящим в течение одного полупериода. Так как напряжения в двух ветвях вторичной обмотки трансформатора сдвинуты по фазе на полпериода, то в нагрузке протекает ток,
поочередно пропускаемый каждым из двух вентилей (рис. 4-17,в). Соотношение напряжений в рассматриваемой схеме:
Рис. 4-17. Двухтактный однофазный выпрямитель.
а — схеме со средним выводом; б — мостовая схема; в—диаграмма выпрямленного напряжения.
Рассмотренная схема имеет преимущества по сравнению с однополупериодным выпрямителем — вдвое меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и уменьшенные габариты питающего трансформатора, благодаря его лучшему использованию по мощности.
Частота пульсации выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети.
Однофазная мостовая схема выпрямителя (рис. 4-17,б) состоит из четырех вентилей (или групп). Каждую половину периода проводящими являются два из них. В течение одного полупериода ток проходит через вентиль В1, нагрузку Rн и вентиль В3; во второй полупериод — через вентили В2, В4 и нагрузку.
Характер пульсации выпрямленного напряжения и тока в нагрузке тот же, что в схеме со средней точкой (рис. 4-17,в).
Соотношения напряжений определяются равенствами
Дополнительным преимуществом мостовой схемы является вдвое меньшее значение обратного напряжения при том же значении среднего выпрямленного напряжения.
Рис. 4-18. Трехфазный мостовой выпрямитель.
а — принципиальная схема; б —диаграмма фазных напряжений; в —диаграмма выпрямленного напряжения.
Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 4-18,а) состоит из шести вентилей, образующих две группы: анодную и катодную. У анодной группы (В1, В3 и В5) электрически связаны между собой аноды; у катодной (В2, В4 и В6) — в общую точку объединены катоды. Для внешней цепи эти общие точки связи являются положительным и отрицательным полюсами.
В любой момент времени одновременно работают два вентиля: один в анодной, другой в катодной группе. В каждой трети периода работает один вентиль катодной группы, имеющий наиболее высокий потенциал анода, и один — анодной группы с наименьшим потенциалом катода (рис. 4-18,б).
Частота пульсации в связи с указанным в шесть раз превышает частоту сети; амплитуда пульсации (рис. 4-18,в) значительно ниже, чем в схемах, рассмотренных ранее.
Значения выпрямленного и обратного напряжений определяются равенствами
По тем же показателям, служащим критерием для оценки ранее рассмотренных схем, мостовой трехфазный выпрямитель их превосходит и поэтому находит широкое применение в мощных выпрямительных устройствах.
Регулируемые выпрямители
В технологических целях часто бывает необходимым регулировать выпрямленное напряжение. Такая необходимость возникает, например, при питании от выпрямителя двигателей постоянного тока с регулированием скорости их путем изменения напряжения на якоре.
Ниже рассматриваются вопросы связанные с регулированием в схемах с неуправляемыми вентилями (диодами) и на выпрямителях с тиристорами.
Рис. 4-19. Фазовое регулирование выпрямленного напряжения.
Регулирование при неуправляемых вентилях охватывает вопросы, связанные с изменением выпрямленного напряжения в рассмотренных выше однотактных и двухтактных схемах. В данном случае задача решается путем изменения напряжения переменного тока, подаваемого на выпрямитель, обычными средствами. трансформаторы и т. д.
Выпрямители с управляемыми вентилями (тиристорами) строятся по тем же схемам, что и выпрямители на диодах. Регулирование выпрямленного напряжения производится путем изменения фазы открытия тиристоров. Структурная схема для пояснения принципа фазового регулирования представлена на рис. 4-19,а в виде четырехполюсника 5, заключающего в себе двухполупериодное выпрямительное устройство. На вход четырехполюсника подается синусоидальное переменное напряжение U, изменяющееся во времени, как показано на рис. 4-19,б пунктирной линией. Сплошная линия изображает кривую напряжения при непрерывном прохождении тока через четырехполюсник при двухполупериодном выпрямлении.
Четырехполюсник испытывает некоторое управляющее воздействие У в виде импульсов, открывающих четырехполюсник. Будем считать, что независимо от физической сущности управляющих импульсов воздействие их сводится только к открытию четырехполюсника для прохождения через него тока. Положим далее, что открытое состояние четырехполюсника в силу его особых свойств продолжается от момента подачи импульса до момента прохождения переменного напряжения на входе через нулевое значение, т. е. в течение одного полупериода изменения напряжения. При этом условии пульсация выпрямленного напряжения, как показано на рис. 4-19,б, может иметь место, если периодически подача открывающих импульсов происходит в моменты, соответствующие прохождению кривой напряжения через нуль, т. е. при U—0.
Рис. 4-20. Схема регулируемого выпрямителя.
Если импульсы, открывающие четырехполюсник, поступают со сдвигом по отношению к моменту времени, при котором U=0, в моменты t1, t2, t3 и т. д. (рис. 4-19,в), то и открытие четырехполюсника будет происходить в те же моменты времени. Тогда в интервалах времени между моментом прохождения напряжения через нуль и моментом подачи импульса ток через четырехполюсник не проходит и напряжение на выходе равно нулю; кривая напряжения частично срезана. Если фазу управляющего импульса сдвинуть еще больше, то срезанный участок выпрямленного напряжения увеличится (рис. 4-19,г).
Из основ электротехники известно, что значение среднего выпрямленного напряжения, по определению, пропорционально площади, охватываемой кривой U=f(t) за время одного периода пульсации. На рис. 4-19,б, в, г видно, что фаза импульса определяет площадь кривой U=f(t) и, следовательно, среднее выпрямленное напряжение.
При фазовом регулировании на вход схемы подается неизменное напряжение переменного тока, а выпрямленное напряжение на выходе изменяется в зависимости от фазы управляющих импульсов.
В качестве примера рассмотрим выпрямитель с тиристорами, управляемыми мостовым фазосмещателем (рис. 4-20). Выпрямитель УВ построен по схеме вентильного моста, содержащего два диода Д1 и Д2 и два тиристора Т1 и Т2. Диоды и тиристоры обеспечивают неизменную полярность на выходе схемы, т. е. осуществляют обычную функцию вентилей в мостовой схеме (рис. 4-17,б). Тиристоры, кроме того, служат для регулирования величины среднего выпрямленного напряжения. Регулирование производится изменением фазы управляющего импульса, подаваемого на тиристоры. Фазосмещатель ФС построен также по мостовой схеме, два плеча которой составлены из вторичных полуобмоток трансформатора Тр, а другие два плеча — из индуктивности L и регулируемого сопротивления PC.
Напряжения в двух ветвях вторичной обмотки трансформатора сдвинуты одно относительно другого на 180о; следовательно, управляющие импульсы возникают один за другим с интервалом в полпериода, открывая поочередно тиристоры Т1 и Т2. Однонаправленность управляющих импульсов обеспечивается диодами Д0. Изменение фазы управляющего импульса по отношению к напряжению на входе выпрямителя достигается изменением соотношения значений активного и индуктивного сопротивлений (R—L) фазосмещателя. Это соотношение определяется значением регулируемого сопротивления PC (эффект изменения фазы управляющего импульса будет достигнут также, если вместо индуктивности в то же плечо поместить емкость).
Помимо рассмотренной существует множество других схем управления тиристорами.
Регулируемые выпрямители с управляемыми вентилями имеют самое широкое распространение. Существуют мощные выпрямительные устройства с ионными приборами— тиратроны и управляемые ртутные вентили (УРВД) с сеткой, устанавливающей момент возникновения разряда. В ионных выпрямителях изменение выпрямленного напряжения -производится путем фазового регулирования.
Современное быстрое развитие техники полупроводников приводит к преимущественному использованию тиристоров для регулируемых выпрямителей. Последние применяются в системах управления регулируемыми двигателями постоянного тока, для возбуждения синхронных машин (взамен вращающихся генераторов) и для многих других целей.
