6.2. ОДНОФАЗНЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ

Выпрямители в мощных энергетических установках имеют ряд характерных особенностей:

1. Нагрузка имеет активно-индуктивный характер: такой тип нагрузки характерен для многих потребителей средней и большой мощности, при больших токах сопротивление индуктивности короткой сети, связывающей преобразователь с нагрузкой, становится соизмеримым с сопротивлением нагрузки.

2. Необходимо при анализе принимать во внимание индуктивности рассеяния обмоток трансформатора.

3. Выпрямители большой мощности, как правило, выполняются трехфазными, поскольку технические параметры трехфазных выпрямителей выше (см. § ) и они обеспечивают равномерную загрузку трехфазной сети.

4. Весьма часто необходимо регулировать или стабилизировать напряжение на выходе выпрямителей или передаваемую в нагрузку мощность, что требует применения управляемых выпрямителей.

Рассмотрение выпрямителей с учетом всех этих особенностей представляет сложности, поэтому сначала обратимся к рассмотрению однофазных выпрямителей, на примере которых выявим характерные черты выпрямителей средней и большой мощности, а затем распространим результаты анализа на трехфазные схемы.

Для изменения напряжения на выходе выпрямителей используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах. Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией.

На рис. 6.1, а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От рассмотренного ранее неуправляемого выпрямителя (см. рис. 5.2, а) данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами). Рассмотрим работу схемы при разном характере нагрузки, полагая трансформатор и вентили идеальными.

6.2.1. Работа на активную нагрузку

При указанной на рис. 6.1, а полярности напряжения сети может пропускать ток тиристор V1 при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления .

Рис. 6.1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель (а) и токи и напряжения в цепи постоянного тока при работе в качестве потребителя энергии (б) и источника (в)

Рис. 6.2. Временные диаграммы токов и напряжений в однофазном нулевом управляемом выпрямителе при работе на активную (а) и активно-индуктивную нагрузки: б — режим прерывистого тока; в - режим непрерывного тока

Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол а, называемый углом управления (рис. 6.2, а).

Моментом естественного отпирания называем момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора рис. 6.2 это момент для тиристора V1).

До включения тиристора V1 (т. е. при ) напряжение на нагрузке . При включении тиристора в момент напряжение возрастает скачком до значения , поскольку на открытом тиристоре 0. Ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор V1 и нагрузку: . При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис. 6.2, а). При протекании тока через нагрузку в нагрузке рассеивается активная мощность.

При ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор V1 запирается. До отпирания тиристора V2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку на интервале не передается. В момент подается управляющий импульс на тиристор V2, тиристор открывается, на этом интервале , т. е. к нагрузке приложено напряжение нижней полуобмотки трансформатора. Ток протекает через нижнюю полуобмотку, тиристор V2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент происходит запирание тиристора V2.

Завершая рассмотрение временных диаграмм рис. 6.2, а, отметим, что ток первичной обмотки трансформатора на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока проводящей полуобмотки. Напряжение на закрытом вентиле , где потенциалы анода и катода определяются относительно вывода средней точки трансформатора; очевидно, что равно ЭДС на соответствующей полуобмотке трансформатора, т. е. . Таким образом, во время бестоковой паузы 0 и . На интервале работы одного из вентилей на открытом вентиле , на закрытом тиристоре .

Найдем среднее значение ЭДС выпрямителя, равное при холостом ходе среднему значению выходного напряжения:

где — среднее значение ЭДС на выходе неуправляемого выпрямителя [сравните с (5.1)]. Уменьшение при увеличении угла управления иллюстрируется временными диаграммами рис. 6.3.

Рис. 6,3. Форма выходного напряжения однофазного выпрямителя с активной нагрузкой при различных углах управления

Рис. 6.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней и большой мощности (б)

увеличением растет интервал бестоковой паузы, на котором мощность от сети в нагрузку не передается. Зависимость называется регулировочной характеристикой, для активной нагрузки она представлена на рис. 6.4, а.

6.2.2. Режим прерывистого тока при работе на активноиндуктивную нагрузку.

Индуктивность препятствует нарастанию тока (временные диаграммы рис. ). После включения тиристора V1 в момент мощность передается из сети в нагрузку, направления напряжения и тока в нагрузке совпадают (рис. ). Энергия запасается в индуктивности нагрузки. В момент напряжение меняет знак, но индуктивность стремится задержать спад тока и V1 продолжает проводить ток.

Теперь направления напряжения и тока в нагрузке противоположны (рис. 6.1, е), — это означает, что нагрузка является источником энергии, т. е. возвращает энергию, накопленную в индуктивности, в питающую сеть Часть этой энергии при этом теряется в активном сопротивлении . В момент запасенная в индуктивности энергия равна нулю, ток спадает к нулю и V1 запирается. После бестоковой паузы в момент подается управляющий импульс на вентиль V2, и процессы повторяются. Такой режим, когда между интервалами проводимости вентилей имеются бестоковые паузы, называется режимом прерывистого тока.

Появление отрицательных площадок в кривой во время возврата энергии из нагрузки в сеть приводит к тому, что среднее значение выходной ЭДС

оказывается меньше, чем значение, определяемое из (6.1) Выходная ЭДС зависит не только от угла управления, но и от характера нагрузки (т. е. от ), поскольку длительность этапа возврата энергии, запасенной в индуктивности, зависит от соотношения индуктивности и активного сопротивления нагрузки.

При увеличении индуктивности или уменьшении. длительность бестоковой паузы уменьшается, при достижении выпрямитель переходит в режим непрерывного тока.

6.2.3. Режим непрерывного тока при работе на активноиндуктивную нагрузку.

Этот режим является наиболее характерным для мощных выпрямителей, в которых обычно . При указанном соотношении параметров ток нагрузки непрерывен и хорошо сглажен, его мгновенное значение равно среднему (рис. 6.2, е). На временных интервалах направления тока и напряжения в нагрузке совпадают, энергия передается от сети к нагрузке, часть ее запасается в индуктивности. На интервалах и энергия, накопленная в индуктивности, возвращается в питающую сеть, но в момент включения очередного вентиля энергия, накопленная в индуктивности, еще не равна нулю В режиме непрерывного тока длительность протекания тока через вентиль , т. е. в любой момент времени нагрузка подключена к одной из полуобмоток трансформатора.

Среднее значение ЭДС выпрямителя в режиме непрерывного тока

отсюда

Регулировочная характеристика выпрямителя в режиме непрерывного тока приведена на рис. 6.4, а, она представляет собой косинусоиду. При значениях угла управления энергия, запасенная в индуктивности, оказывается недостаточной для поддержания непрерывного тока нагрузки и выпрямитель переходит в режим прерывистого тока, при этом уменьшается отрицательный участок кривой и растет (регулировочные характеристики показаны на рис. 6.4,а). При работе на чисто индуктивную нагрузку , т. е. длительности этапа накопления энергии в индуктивности и этапа возврата из нагрузки в сеть равны.

Выбор вентилей и расчет трансформатора в управляемых выпрямителях производят по тем же зависимостям, что и в неуправляемых (см. § 5.2), поскольку наибольшие токи и напряжения на элементах схемы отмечаются в режиме .

6.2.4. Коммутация тока в однофазных выпрямителях.

Рассмотрим особенности работы выпрямителя в режиме непрерывного тока с реальными трансформаторами. В трансформаторах средней и большой мощности индуктивные сопротивления обмоток , обусловленные потоками рассеяния, значительно выше их активных сопротивлений. Вынесем индуктивные сопротивления рассеяния вторичной и первичной обмотками трансформатора в анодные цепи вентилей: , где - приведенное ко вторичной обмотке индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки. Индуктивности показаны пунктиром на рис. 6.1, а.

Выше (в п. 6.2.3) при мы полагали, что ток тиристоров имеет прямоугольную форму. Если , то индуктивность будет препятствовать быстрому нарастанию и спаду тока вентилей: при подаче управляющего импульса на тиристор V2 ток тиристора V1 будет спадать в течение времени, соответствующего углу коммутации у (рис. 6.5, а).

В течение того же интервала будет нарастать ток тиристора

. На интервале коммутации одновременно проводят ток два вентиля, и трансформатор оказывается подключенным к нагрузке, как это показано на схеме замещения рис. 6.5, б.

Из этой схемы следует: и одновременно . Если ток нагрузки идеально сглажен, то . Тогда получаем, что на интервале коммутации напряжение на нагрузке равно полусумме ЭДС на проводящих ток обмотках.

Рис. 6.5. Токи и напряжения в однофазном выпрямителе при коммутационных процессов (а) и схема приложения напряжения к нагрузке на интервале коммутации (б)

В однофазном выпрямителе (см. рис. 6.5, а)

Поскольку на интервале коммутации мгновенное значение выходного напряжения уменьшается на величину их, его среднее значение также уменьшается:

где определяется а

Учтем, что . Перейдем к новым пределам интегрирования, поскольку при а при . Тогда

Следовательно, из-за наличия индуктивностей рассеяния трансформатора среднее значение напряжения на нагрузке уменьшается с ростом тока 1а, поскольку при этом растет длительность коммутационного интервала у. Таким образом, в однофазном выпрямителе

На рис. 6.4, б приведены внешние характеристики управляемого однофазного выпрямителя, построенные по (6.3). В отличие от маломощных выпрямителей (см. § 5.5) наклон внешних характеристик выпрямителей большой и средней мощности обусловлен коммутационными процессами в режиме непрерывного тока нагрузки. На рис. 6.4, б показано, что при при увеличении (и уменьшении ) выпрямитель переходит в режим прерывистого тока и напряжение увеличивается в соответствии с ходом регулировочных характеристик (рис. 6.4, а).

Недостатком управляемых выпрямителей по сравнению с неуправляемыми является рост пульсаций выходного напряжения при увеличении угла управления, которое обнаруживается при сравнении временных диаграмм рис. 5.3 и 6.2. Разложение в ряд Фурье кривой выходного напряжения позволяет найти гармонику пульсации. В режиме непрерывного тока при пренебрежении коммутационными процессами отношение амплитуды гармоники пульсации к среднему значению , определяемому по (6.2), дает коэффициент пульсации

где коэффициент пульсации при , рассчитываемый по выражению (5.3). Приведенное выражение для расчета справедливо и для рассматриваемых ниже схем выпрямителей с .

Однофазный управляемый выпрямитель может быть выполнен по мостовой схеме (см. рис. 5.4, а), при этом все вентили заменяются на управляемые (тиристоры). Основные процессы в нулевых и мостовых однофазных выпрямителях аналогичны.