4. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАЗНОГО И ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
В большинстве практических случаев выпрямители средней и большой мощности применяются не только для выпрямления переменного тока в постоянный, но должны позволять плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ufj. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также для регулирования напряжения для управления частотой вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.
При использовании в выпрямителях неуправляемых вентилей среднее значение выпрямленного напряжения и, как это видно из (11), (22) и табл. 1, пропорционально напряжению U2 ф. Регулирование величины и^ в этом случае сводится к изменению напряжения U2 на вторичной стороне трансформатора с помощью отпаек, что не всегда удобно и сложно. Более широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя за интервал проводимости. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вентилей— тиристоров, в связи с чем такой выпрямитель называют управляемым.
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме и нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия таких выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь ее особенности.
Однофазная нулевая схема управляемого выпрямителя изображена на рис. 21,э. Она отличается от схемы неуправляемого , выпрямителя (см. рис. 16 6) тем, что диоды VI и V2 заменены тиристорами VC1 и 1/С.2„ 1
Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмотки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управления СУ, которая формирует синхронно с напряжением их управляющие импульсы иу1 и иу2 и позволяет изменять их фазу относительно напряжений и2а и и2Ь источника питания.
Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения (рис. 21,6), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 21,а без скобок.
При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод VI открылся бы в момент времени f0 (рис. 21,в), которое является для него моментом естественного отпирания. Тиристор, как отмечалось в § 2, отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и отпирающего импульса на управляющем электроде. На интервале t0-t, тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток трансформатора и2в и и2н' на тиристор VC1 - в прямом направлении, а на тиристор VC2 — в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя ud = 0.
21. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке
В момент времени f, от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс uyi. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напряжения Uia и подключит нагрузку Rd на напряжение иг вторичной обмотки трансформатора.
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой а. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение ud на нагрузке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой напряжения и2в. В момент t2 напряжение и2в меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t2—t3 оба вентиля будут закрыты и ток id в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 — прямое напряжение, равное и2Ь. В момент f3 подается отпирающий импульс Uy2 на тиристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момента t4. Далее через интервал, равный углу а, вновь вступит в работу тиристор VC1 и т.д.
При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая выпрямленного тока id полностью повторяет форму кривой напряжения ud (рис. 21,в и д). На рис. 21,е построена кривая обратного напряжения ц,бр на тиристоре VC1 для случая работы схемы с углом регулирования а = 60°. В интервале f0— fi к тиристору VC1 приложено прямое напряжение ипр = u2e, в интервале ti~t2 тиристор VC1 открыт и падение напряжения на нем практически равно нулю. В момент f2, когда ток id равен нулю!, тиристор VC1 закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение, равное - и2в, поскольку тиристор VC2 также закрыт.
Рис. 22. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя:
1 — при активной и 2 — при активно-индуктивной нагрузках
Рис. 23. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель: а.— схема включения элементов; б — д - временные диаграммы напряжений и токов
Количественные соотношения между другими величинами для однофазной нулевой схемы на управляемых вентилях приведены в табл. 1.
• Однофазная мостовая схема на управляемых вентилях изображена на рис. 23.а. Пусть значения напряжений их и и2 обмоток трансформатора Г равны. Для работы такого выпрямителя управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора, расположенных в противоположных плечах моста. Пусть, например, в момент времени t, (рис. 23,6), определяемый углом а, от системы управления выпрямителя на тиристоры VC1 и VC3 подаются управляющие импульсы иух и иу2 (рис. 23,в), вентили открываются и в интервале t, — Г2 через нагрузку Rd протекает ток id. В момент Г2 вентили VCf и VC2 запираются, так как напряжение и2 проходит через нуль. В интервале t2—t3 к тиристорам VC1 и VC3 будет приложено обратное напряжение; равное половине напряжения и2 вторичной обмотки трансформатора, а к тиристорам VC2, VC4 - прямое напряжение такого же значения (рис. 23,d). (
Далее в момент f 3 подаются управляющие импульсы на следующую пару тиристоров - VC2, VC4 и они будут работать аналогично тиристорам VC1 и VC3, но только со смещением по фазе на 180° (интервал f3—г4),и т.д.
Кривые выпрямленного напряжения ud и тока id однофазной мостовой схемы на тиристорах (рис. 23;г) аналогичны соответствующим кривым для однофазной схемы со средней точкой. Будут также одинаковыми формы кривых токов через вентиль, а также кривые токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора Г (рис. 23,6). Максимальное значение иобр на тиристорах, как и для случая работы схемы на диодах, определяется амплитудой напряжения и2, а в схеме с нулевым выводом — напряжением 2и2. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение \/ТU2, т.е. вдвое меньше, чем в схеме с нулевой точкой. Электрические параметры рассмотренной схемы выпрямления приведены в табл. 1. % Трехфазная нулевая схема с тиристорами изображена на рис. 24,з. Рассмотрим принцип действия такого выпрямителя для случая, когда вторичные обмотки трансформатора соединены в зигзаг. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени (с задержкой на угол управления а) по отношению к моменту естественного отпирания диодов в неуправляемом выпрямителе (см. рис. 18,з), который соответствует точкам пересечения синусоид фазных напряжений иа, иь и ис (точки а, б. в иг на рис. 24,в).
Пусть, например, управляющие импульсы на тиристоры VC1, VC2, VC3 подаются в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (при этом угол а = = 60°). В этом случае на нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения ud в форме четверти синусоиды (рис. 24,г).
Рис. 24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: а — схема включения элементов; б — векторная диаграмма напряжений обмоток трансформатора; в — в — временные диаграммы токов и напряжений
Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления а вызывает соответствующее уменьшение (рис. 24,в) или увеличение (рис. 24,д) импульсов напряжения ud. При угле а = 0 кривая выпрямленного напряжения (рис. 24,е) будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 24,в). Очевидно, что кривая тока id по форме будет повторять кривую выпрямленного напряжения ud при работе выпрямителя на активную нагрузку.
Из этих кривых видно, что имеются две характерные области работы управляемого выпрямителя. Первая соответствует изменению угла регулирования в пределах 0 < а < 30°, при этом выпрямленный ток будет непрерывным и среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением
(36)
Каждый тиристор схемы в этом случае работает одну треть периода. Вторая область соответствует углам а > 30° и характеризуется тем, что при прохождении фазных напряжений через нуль (точки к, л, м, н на рис. 24,г) работающий тиристор закрывается, а так как на очередной вступающий в работу тиристор отпирающий импульс еще не подан, то в кривой выпрямленного напряжения возникают паузы (нулевые участки), в течение которых ток id = 0.
Длительность прохождения тока через вентиль в этом случае будет меньше 773 и среднее значение выпрямленного напряжения рассчитывается по формуле
(37)
Для трехфазной нулевой схемы при работе на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол атах = 150°. Напряжение на вентиле определяется разностью потенциалов анода и общей точки катодов, потенциал которой изменяется по кривой напряжения ud. Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, так же как в схеме с неуправляемыми вентилями, равно амплитуде линейного напряжения Uj,, [см. (24)].
Для устранения в сердечнике трансформатора потока вынужденного намагничивания вторичные обмотки соединены в зигзаг (рис. 24,э). При такой схеме соединения ток фазы вторичной обмотки обтекает одновременно две полуобмотки, расположенные на соседних стержнях, но только в разных направлениях.
Благодаря этому МДС первичной и вторичной обмоток по стержням полностью компенсируются и поток вынужденного намагничивания в сердечнике трансформатора не возникает.
Однако следует отметить, что использование вторичных обмоток по мощности при этом ухудшается. Это объясняется тем, что масса меди двух связанных между собой обмоток увеличивается вдвое, а результирующее напряжение каждой фазы, определяющееся геометрической суммой напряжений двух полуобмоток, расположенных на разных стержнях и сдвинутых по фазе на 120° (рис. 24,6), увеличивается только в v3 = 1,73 раза по сравнению с результирующим напряжением при двух обмотках, размещенными на одном стержне.
Рис. 25. Трехфазная мостовая схема на управляемых вентилях: а — соединение элементов; б - г — временные диаграммы токов и напряжений при различных углах регулирования
Таким образом, вторичное фазное напряжение в этой схеме будет U%ф зиг = у/3/y/2U2 фзвез = = 0,87 У2ф звез, и чтобы получить при соединении вторичных обмоток в зигзаг такое же значение выпрямленного напряжения Ud, .как в схеме со вторичной звездой, необходимо увеличить количество витков вторичных полуобмоток на 13%. В результате типовая мощность трансформатора по сравнению с мощностью трехфазной нулевой схемы выпрямления также увеличивается и равна ST = 1,46Pd.
Ф В трехфазной мостовой схеме с управляемыми вентилями (рис. 25,а), так же как и с неуправляемыми, одновременно работают два тиристора: один из катодной (нечетной) группы, другой из анодной (четной) группы, и нагрузка в любой момент времени присоединяется к двум фазам вторичной обмотки трансформатора. Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной группы по даются с опережением на 180° по отношению к тиристорам четной группы, присоединенным к тем же выводам вторичной обмотки, так как первые работают при положительных значениях фазных напряжений на анодах, вторые — при отрицательных на катодах (рис. 25,6).
Работа рассматриваемой схемы выпрямления иллюстрируется диаграммами мгновенных значений фазных напряжений на тиристорах (рис. 25,6); кривыми выпрямленного напряжения ud (рис. 25,в), которое получается путем суммирования мгновенных значений напряжений работающих в данный момент вентилей; кривыми анодных токов (рис. 25,г) катодной группы - над осью времени, анодной группы — под осью. Каждая из диаграмм построена для трех значений углов регулирования: а, = = 30°, Oj = 60° и а3 = 90°.
При угле регулирования a = 0 отпирающие импульсы на тиристоры необходимо подавать в моменты, соответствующие точкам пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и к, л, м на рис. 25,6). В этом случае каждый из вентилей проводит ток в течение 773, как в неуправляемой схеме, а чередование пар работающих тиристоров происходит через 60° (рис. 25,г).
Пока угол регулирования а < 60°, кривые выпрямленного напряжения, а следовательно, и кривые выпрямленного тока id (рис. 25,в и г) при активной нагрузке непрерывны. Для этого режима (0 < a < 60°) среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением (36). Как видно из рис. 25,г, через вступающий в работу тиристор катодной группы ток может проходить только при условии, если одновременно открывается или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому но меру) тиристор анодной группы. В противном случае цепь тока id не будет замкнута и очередной вступающий в работу тиристор не откроется.
Угол а = 60° соответствует при активной нагрузке г р а н и ч- но-непрерывному режиму. При углах а > 60° и активной нагрузке в кривых напряжения ud и тока id появляется интервал с нулевым значением, т.е. наступает режим работы выпрямителя с прерывистым выпрямленным током.
Следует отметить, что для обеспечения работы данной схемы в режиме с прерывистым током, а также для первоначального ее запуска на управляющие электроды тиристоров следует подавать либо одиночные импульсы шириной больше 60°, или сдвоенные
узкие отпирающие импульсы с интервалом между ними в 60° (рис. 25,6 при а3 = 90°).
Схема управления выпрямителем должна быть построена так, чтобы при подаче отпирающего импульса на вступающий в работу тиристор одного плеча моста одновременно осуществлялась бы подача импульса на управляющий электрод тиристора отстающей фазы противоположного плеча моста. Например, при работе выпрямителя с а = 90° (рис. 25,6), для того чтобы открыть тиристор VC1, в момент 11 необходимо одновременно подать отпирающий импульс и на тиристор VC6. после чего оба вентиля будут проводить ток до момента t2, когда разность мгновенных значений напряжений и2а и игЬ будет равна нулю и тиристоры VC1 и VC6 закроются. Затем в момент t3 должен вступить в работу тиристор VC2, который откроется только при условии наличия повторного отпирающего импульса на тиристоре VC1 или при условии, что на управляющий электрод этого тиристора в момент f, будет подан импульс длительностью больше 60°. Тиристоры VC2 и VC1 будут проводить ток до момента f4, далее вступит в работу следующая пара тиристоров VC3 и VC2 и т.д.
Среднее значение выпрямленного напряжения, когда ток id прерывистый (а > 60°), определяется выражением
(38)
Из (38) следует, что при работе данной схемы на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол отах = 120°.
