§ 8.5. Управляемые выпрямители и инверторы

В источниках питания выпрямленное напряжение, как правило, постоянно. При необходимости регулировку выпрямленного напряжения можно осуществить с помощью автотрансформатора, включенного в цепь переменного тока, или потенциометра в цепи выпрямленного тока. Такие способы регулирования просты, но имеют много недостатков, главными из которых являются громоздкость и малая надежность регулировочных элементов, значительное потребление энергии и соответственно малый коэффициент полезного действия.

Устранить эти недостатки позволяют схемы выпрямителей, построенные на управляемых вентилях — тиристорах. Такие схемы широко распространены для питания устройств, у которых значение выпрямленного напряжения изменяется часто и в широких пределах, например в электроприводе.

Схема однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис. 8.17, а.

Рис. 8.17.

Тиристор включается в момент подачи на управляющий электрод импульса напряжения. При этом сопротивление тиристора уменьшается и выходное напряжение повторяет форму входного напряжения (рис. 8.17, б).

Регулировка выпрямленного напряжения заключается в изменении момента включения тиристора. Угол сдвига фаз между напряжением включения тиристора и входным напряжением называется углом управления а.

Управление величиной угла а в схеме рис. 8.17, а осуществляют с помощью фазовращающей -цепи, состоящей из резисторов и конденсатора С.

Представленная схема иллюстрирует принцип управления тиристором, однако на практике используется очень редко, так как управляющее напряжение нарастает плавно и момент включения тиристора фиксируется нечетко, что отражается на качестве регулирования.

В высококачественных преобразовательных установках для выработки и перемещения во времени переключающих импульсов, осуществляющих изменение угла управления а служат специальные схемы, называемые системами управления.

Основными элементами систем управления выпрямителей являются: 1) входное устройство, предназначенное для синхронизации управляющего напряжения с напряжением сети; 2) фазосдвигающее устройство, перемещающее управляющий сигнал во времени на угол а относительно входного напряжения; 3) выходное устройство, которое формирует и усиливает, если это необходимо, управляющий импульс требуемой амплитуды и формы.

Схема двухполупериодного управляемого выпрямителя и временные диаграммы его работы приведены на рис. 8.18, а, б. В интервале времени от 0 до оба тиристора выключены, и ток через них не протекает б).

При поступлении управляющего импульса в момент времени , соответствующий фазному углу , включается тиристор напряжение на нем падает до значения и остается равным до момента времени , соответствующему . В момент времени тиристор выключается. В интервале времени от до оба тиристора остаются выключенными. В момент поступления управляющего импульса U включается тиристор . В дальнейшем процессы повторяются.

Рис. 8.18.

Среднее значение выпрямленного напряжения в схеме рис. 8.18, а при угле управления

где - эффективное значение напряжения вторичной полуобмотки трансформатора; — значение выпрямленного напряжения при .

Выражение (8.47) позволяет построить зависимость от а, которая называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя (рис. 8.19). Из рисунка видно, что при чисто активной нагрузке предельный угол управления, соответствующий , равен 180°.

Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре при равно двойной амплитуде напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора:

Рис. 8.19.

так как при включении тиристора, например, к выключенному тиристору прикладывается сумма мгновенных значений напряжений вторичных полуобмоток трансформатора, т. е. .

Задавая определенный режим, управляемый выпрямитель можно использовать в качестве инвертора.

Рис. 8.20.

Рис. 8.21.

Инвертор — устройство, преобразующее постоянный ток в переменный заданного значения и частоты. Применяется для передачи энергии постоянного тока, в электроприводе постоянного тока, для преобразования частоты и т. д.

В выпрямительном режиме работы преобразователя мощность из сети переменного тока поступает к потребителю постоянного тока, а в инверторном мощность из сети постоянного тока поступает к потребителю переменного тока.

Рассмотрим возможность перехода от выпрямительного режима к инверторному схемы двухполупериодного управляемого выпрямителя (рис. 8.20, а), нагрузкой которого является электродвигатель постоянного тока с противо-ЭДС .

Для упрощения анализа пренебрежем активными потерями и индуктивностью рассеяния в обмотках трансформатора. Временные диаграммы напряжения и токов на рис. 8.21, а иллюстрируют работу преобразователя в качестве выпрямителя. При углах управления среднее значение выпрямленного напряжения преобразователя положительно (на рис. 8.20, а в точке а, в точке б) и превышает значение ЭДС , которая направлена встречно напряжению . Следовательно, направление тока через нагрузку (двигатель) будет определяться направлением напряжения , т. е. преобразователь будет отдавать мощность в нагрузку, а электродвигатель — являться потребителем мощности. При напряжение равно нулю (рис. 8.21, б) и преобразователь отдает в нагрузку только реактивную мощность.

Чтобы перейти от выпрямительного режима к инверторному, необходимо изменить на противоположные полярности напряжения на выходе преобразователя и ЭДС электродвигателя . При этом ток должен протекать под действием ЭДС в сторону, противоположную действию напряжения . Тогда электродвигатель становится генератором постоянного тока, который отдает мощность, а преобразователь — потребителем мощности. Изменение полярности ЭДС электродвигателя осуществляется путем изменения направления тока в обмотке возбуждения при работе двигателя от источника механической энергии.

Изменить полярность напряжения преобразователя можно установкой такого угла управления, при котором тиристоры включались бы при отрицательном напряжении на трансформаторных обмотках.

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу преобразователя в инверторном режиме (см. рис. 8.20, б), представлены на рис. 8.21, в, г.

При среднее значение напряжения преобразователя отрицательно в точке б, в точке а) и преобразователь работает как инвертор. При анализе инверторного режима обычно пользуются так называемым углом опережения , отсчет которого ведут от момента времени .

В инверторном режиме время выключения тиристора не должно превышать времени, соответствующего значению . Иначе произойдет повторное включение тиристора, например в момент времени , когда напряжение на нем станет положительным (рис. 8.21, в).

При осуществляется поочередная работа тиристоров, так как напряжение на включаемом тиристоре выше напряжения на выключаемом.

Влияние индуктивности рассеяния обмоток трансформатора на работу инверторов заключается в том, что токи включаемого и выключаемого тиристоров будут изменяться не скачком, а постепенно в течение времени, соответствующего некоторому углу коммутации .

Это приводит к тому, что напряжение инвертора увеличивается, так как в течение времени, соответствующего углу коммутации, оба тиристора работают одновременно и инвертор создает напряжение, равное полусумме напряжений обмоток трансформатора.

Рис. 8.23.

В рассмотренной схеме инвертора коммутация тиристоров производится с частотой сети от системы управления (СУ), т. е. частота напряжения инвертора задается сетью переменного тока. Такие инверторы называются инверторами, ведомыми сетью.

Если инвертор работает на автономную нагрузку, а частота коммутации тиристоров определяется частотой управляющих импульсов специальной сети управления, то такой инвертор называется автономным.

Различают инверторы тока и напряжения. Инверторы тока питаются от источника постоянного напряжения через дроссель с большой индуктивностью (рис. 8.22, а). Поэтому ток во входной цепи инвертора практически не изменяется при коммутации тиристоров.

При поочередном переключении пар тиристоров в нагрузку поступает ток прямоугольной формы (при ). Значение и форма выходного напряжения зависят от нагрузки (рис. 8.22, б).

Питание инвертора напряжения осуществляется непосредственно от источника напряжения (рис. 8.23, а).

Для обеспечения постоянства питающего напряжения при коммутации тиристоров параллельно входу инвертора подключают конденсатор большой емкости.

При поочередном переключении пар тиристоров с нагрузки снимается напряжение прямоугольной формы (при ), а значение и форма выходного тока зависят от нагрузки (рис. 8.23, б).