5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА НАГРУЗКУ РАЗЛИЧНОГО ХАРАКТЕРА
Выше была рассмотрена работа различных схем выпрямления с неуправляемыми и управляемыми вентилями на нагрузку с чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с чисто активной нагрузкой для силовых выпрямителей часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка и нагрузка на встречную ЭДС. Примерами таких нагрузок являются обмотки возбуждения электрических машин и втягивающие катушки электроаппаратов, а также любые другие электроприемники, питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом которого служит индуктивная катушка. Случаям нагрузки на встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока, а также при зарядке от выпрямителя аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн.
В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротивление (якорь двигателя, сопротивление обмоток силового трансформатора и др.), которые сочетаются с последовательным включением индуктивности, присущей самой нагрузке или дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 26,а) отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в цепи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает медленнее, чем происходит увеличение напряжения Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи нагрузки, которая является в электрической цепи инерционным элементом, препятствующим резкому изменению тока id. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности (рис. 26,6).
Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение некоторой части отрицательного полупериода вторичного напряжения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld при уменьшении тока нагрузки, которая компенсирует отрицательное напряжение t/2 и падение напряжения Див в цепи выпрямления.
Рис. 26. Однопопупериодное выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а - схема включения; б и в - кривые напряжений и токов на элементах
Общая продолжительность X протекания тока через вентиль VD зависит от значения индуктивности L,j. с увеличением которой возрастает длительность протекания тока id. Среднее значение выпрямленного напряжения на активно-индуктивной нагрузке Ud однополупериодного выпрямителя будет меньше, чем напряжение UdR при активной нагрузке, так как при o>f > it напряжение ud отрицательно (рис. 26,в).
Пульсации тока id в нагрузке не уменьшаются даже при значительном увеличении индуктивности Ld, так как ток /„ всегда меняется от нуля до 1агпах. Вследствие этого в однополупериодных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве фильтра (см. § 6).
При двухпопупериодном выпрямлении (рис. 27,а) в отличие от чисто активной нагрузки ток id в цепи Ld, R становится более сглаженным (рис. 27,6). Действительно, ток /В1 в вентиле VI к концу положительного полупериода под воздействием индуктивности не спадет до нуля, а в момент cot = v ток нагрузки переходит к вентилю V2, так как потенциал анода V2 становится выше потенциала анода VI (см. рис. 16,6).
Рис. 27. Двухпопупериодное выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а — схема включения; б и в — кривые напряжений и токов в элементах
Указанный переход тока происходит мгновенно, так как в анодных цепях вентилей V1 и V2 нет индуктивностей. В следующий попупериод, когда и2а будет опять положительно, ток id снова переходит к вентилю VI (рис. 27,в).
Выпрямленное напряжение ud на выходе выпрямителя, т.е. напряжение на зажимах всей цепи RL нагрузки, и обратное напряжение на вентиле будут иметь такую же форму, как при работе схемы на активную нагрузку. Это объясняется тем, что переход тока с одного вентиля на другой происходит в та же моменты, что и в случае работы схемы без индуктивности Ld.
Влияние индуктивности в цепи нагрузки сказывается на действующих значениях токов, протекающих в вентилях и обмотках (/в, /2 и /,), а также на типовой мощности трансформатора ST. Количественные соотношения между токами и напряжениями в элементах выпрямителя, а также типовая мощность трансформатора для различных схем выпрямления с неуправляемыми вентилями при Ld - 00 приведены в табл. 1.
Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку отличаются от процессов при работе схемы на активную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 28,з) работает с идеально сглаженным током id(Ld - = 00), тогда тиристоры VC1 и VC3, вступив в работу в момент времени 11 (рис. 28,6). не закроются в момент прохождения фазного напряжения и2 через нуль (момент t2 ), как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент Г3). Тогда эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры VC1, VC3 выключаются. Вентили VC3, VC4 будут проводить ток, пока снова не будут поданы управляющие импульсы на вентили VC1, VC3 (момент ts), и т.д.
Длительность протекания тока через каждую пару тиристоров остается равной 180°. При wLd = 00 ток id в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ld.
В кривой выпрямленного напряжения ud в интервалах времени О — f,, f2 — и т.д. появляются участки отрицательного напряжения, когда ток через тиристор и нагрузку проходит под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld.
Рис. 28. Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
Это вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения Ud. Очевидно, что с ростом угла а площадь отрицательных участков увеличивается, а значение Ud будет уменьшаться. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определено для всего диапазона изменения угла а по следующей формуле:
(42)
Выражение (42) справедливо для всех управляемых схем при работе выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором в выпрямленном напряжении иу положительные и отрицательные участки равны между собой и постоянная составляющая отсутствует, т.е. Ud = 0, является угол а = я/2.
Регулировочные характеристики однофазных выпрямителей для активно-индуктивной нагрузки зависит от соотношения сoLdlRfj и показаны на рис. 25.
Если отношение < 5, то энергии, запасенной в индуктивности Lfj на интервале, когда ud > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока id в течение половины периода, и вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку работы вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом а. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис. 2В,г).
Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током при одинаковых значениях угла а, благодаря уменьшению отрицательных участков в кривой ud. но меньше, чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, когда отрицательных участков нет. Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики двухполупериодного выпрямителя будут находиться между кривыми / и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 22.
Очевидно, что чем больше угол а, тем больше должна быть индуктивность Lfj, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током id. При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока, определяемом нагрузкой, действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла а, индуктивность Ld обычно выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока при угле регулирования а = атдх.
Работа выпрямителя на нагрузку с противо-ЭДС. Такой вид нагрузки встречается при питании от выпрямителей аккумуляторов, электродвигателей, мощных конденсаторов и др. Особенность работы выпрямителя в этом случае состоит в том, что такого рода потребители имеют собственную ЭДС Еа, которая направлена навстречу напряжению Ufj выпрямителя.
На рис. 29,а представлена схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, который нагружен на якорь двигателя постоянного тока с противо-ЭДС Ед. Рассмотрим работу схемы без индуктивности L(ключ К замкнут). Ток через вентили схемы может проходить лишь в те положительные части периодов, когда выпрямленное напряжение ud будет больше Ед. Например, вентиль VI откроется в момент fi и закроется в момент г2 (рис. 29,6), вентиль V2 вступит в работу в следующий полупериод и будет проводить ток в интервале времени Кривая выпрямленного тока id имеет прерывистый (импульсный) характер, а значение его можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:
(43)
где сопротивление Rj в данном случае равно сумме сопротивлений гдв и Ят.
Очевидно, что интервал проводимости вентилей X будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U2m = \/2U2 и значения Ед.
С ростом Ед пульсации тока /в вырастают, так как уменьшается длительность X работы вентилей в течение каждого полупериода (рис. 29,г). Это приводит к тому, что при равных средних значениях токов /в ср, протекающих через вентиль, отношения lamaxlld и возрастают, что свидетельствует об ухудшении использования вентилей по току и увеличении тепловых потерь в обмотках трансформатора с ростом Ед.
Чтобы выпрямленный ток был непрерывным, необходимо включать в цепь нагрузки индуктивность L (ключ К на рис. 29,э разомкнут), которая соответствует неравенству coLd > 5Rd, и среднее значение выпрямленного напряжения Ufj должно быть больше противо-ЭДС Еа.
При выполнении первого условия мгновенное и среднее значения выпрямленного тока совпадают Ud= td), а переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется в виде падения напряжения на дросселе Ld. Если не выполнить второго условия, то ток id станет прерывистым даже при большой индуктивности дросселя Lfj. так как тиристоры будут проводить ток только при условии и2 > Еа.
Таким образом, при включении в цепь нагрузки индуктивности Ld пульсация выпрямленного тока уменьшается и при > 5Rd становится равной нулю (вся пульсация напряжения Ud оказывается приложенной к индуктивности Ld). В этом случае среднее значение выпрямленного тока определяется соотношением
Рис. 29. Работа неуправляемого однофазного выпрямителя на противо-ЭДС:
а - схема включения; б-г - кривые напряжений и токов на элементах
При известных средних значениях выпрямленного тока и напряжения параметры вентилей /В|Ср. 'в,д и UDбртах, трансформатора /2, U2, 11 и ST для различных схем выпрямителей, работающих на нагрузку с противо-ЭДС при непрерывном токе, определяются такими же соотношениями, как и в ранее разобранных случаях работы выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку (см. табл. 1).
Коммутация тока в силовых схемах выпрямления. При рассмотрении работы маломощных выпрямителей обычно учитывают только активные сопротивления обмоток трансформатора, а индуктивными сопротивлениями, создаваемыми потоками рассеяния в магнитной системе, обычно пренебрегают. Такое допущение давало возможность считать, что выпрямленный ток переходит с одного вентиля на другой мгновенно. Этот процесс переключения вентилей многофазного выпрямителя называется коммутацией тока.
В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток трансформатора оказывают значительное влияние на работу схемы, изменяя значение и форму кривой выпрямленного напряжения, токов вентиля и обмоток трансформатора. Процесс нарастания тока во вступающем в работу и спад тока в выходящем из работы вентилях в этом случае происходит за конечный интервал времени. В то же время влиянием активных сопротивлений обмоток трансформатора и падением напряжения в вентилях нередко можно пренебречь, так как обмотки и их соединения выполняются проводом большого сечения.
В расчетах обычно пользуются суммарной для каждой фазы индуктивностью рассеяния La, приведенной ко вторичной обмотке трансформатора, значение которой определяется по индуктивному сопротивлению обмоток, рассчитываемому по формуле
(45)
где ик — напряжение КЗ трансформатора, %; Ux ном, /щом — номинальные значения напряжения, В, и тока фазы. А, первичной обмотки; п « ^1ном/^2ном _ коэффициент трансформации трансформатора.
Рассмотрим процесс коммутации и его влияние на работу выпрямителя на примере трехфазной схемы с нулевым выводом. Нагрузка принимается активно-индуктивная (рис. 30,а). Приведенные индуктивности Lal, i/,2 и Lc3 обмоток трансформатора включены в анодные цепи тиристоров VC1 — VC3, а в цепи нагрузки имеется значительная индуктивность L и выпрямленный ток id можно считать идеально сглаженным.
Рис. 30. Работа трехфазного управляемого выпрямителя с учетом коммутации тока в вентилях:
а — схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов
Наличие в фазах вторичной обмотки трансформатора индуктивности La приводит к тому, что переход гока ld от одного вентиля к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, который называется углом коммутации и обозначается буквой у.
Таким образом, коммутация тока вентилей уменьшает выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсацию и время работы вентиля (фазы). Увеличение длительности работы фазы несколько уменьшает действующее значение тока фазы и вентиля, поэтому при расчете токов в элементах выпрямителя (напри мер, /в, /2, li) перекрытие фаз можно не учитывать и пользоваться соотношениями табл. 1.
Инвертирование тока. Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. процесс, обратный выпрямлению. При выпрямлении тока электрическая энергия передается из сети переменного тока к потребителю постоянного тока, а при инвертировании поток энергии направлен от источника постоянного тока в сеть переменного тока.
Инвертирование тока применяется для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока в линиях электропередачи постоянного тока, рекуперативного торможения двигателей постоянного тока, питаемых от управляемых выпрямителей, преобразования промышленной частоты и в других случаях.
Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (число витков и количество обмоток) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения (тока). Для получения переменного тока в обмотках трансформатора, подключенного к источнику постоянного тока, необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.
Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Udld, развиваемой выпрямителем, что может быть достигнуто путем изменения направления тока /4 или напряжения Ud. Но выпрямленный ток не может изменить своего направления относительно зажимов выпрямителя вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому изменение знака мощности можно осуществить только за счет изменения знака среднего значения выпрямленного напряжения, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления а > 90°.
Переход от выпрямительного режима к инверторному рассмотрим на примере управляемого выпрямителя, собранного по двух полупериодной схеме на тиристорах VC1, VC2 (рис. 31 ,э), система управления которыми позволяет изменять угол от 0 до 180°. В качестве нагрузки к выпрямителю подключены: аккумуляторная батарея, являющаяся источником инвертируемой энергии и имеющая ЭДС Е„; резистор Rd и дроссель Ld, осуществляющий сглаживание входного тока инвертора. Такой управляемый выпрямитель, способный осуществлять инвертирование тока, называют инвертором. Допустим, что элементы схемы идеальные, а внутреннее сопротивление батареи равно нулю.
Пусть а, = 60°, вывод "плюс" батареи соединен с точкой связи катодов тиристоров VC1, VC2 и среднее значение выпрямленного напряжения UfjB = U^0 cos а, > Еа. Схема работает выпрямителем на батарею, ЭДС Еа которой играет роль противодействующего напряжения, так как направлена против проводимости тиристоров, т.е. имеет отрицательный знак (— Ед) и для удобства графического сравнения с выпрямленным напряжением UdB на рис. 31,6 отложена над осью абсцисс. В этом случае имеет место процесс выпрямления, т.е. передачи мощности от сети переменного тока в аккумуляторную батарею, так как когда и2 > 0 и угол Oj = 60°, напряжение UdB превышает противо-ЭДС Еа.
Рис. 31. Работа однофазного управляемого преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах:
а - схема включения элементов; 6—д — временные диаграммы, иллюстрирующие переход от выпрямления тока к инвертированию
коммутации у на угол 5 не меньше, чем это необходимо для полного восстановления закрытого состояния тиристора. Следовательно, для надежной работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме требуется соблюдать условие /3тт > >1+8.
Рис. 32. Трехфазный реверсивный преобразователь, работающий на двигатель постоянного тока:
а — схеме включения элементов; б—д — кривые напряжений при выпрямлении и инвертировании тока
Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений и2, проводя их открывание с углом опережения —0.
