Выпрямители

Содержание

Введение……………………………………………………………………….3

Режим активной нагрузки……………………………………………...4 Индуктивность в цепи нагрузки……………………………………….7 Однофазный мостовой управляемый выпрямитель………………….10

Заключение…………………………………………………………………….12

Список литературы……………………………………………………………13

Введение

С помощью выпрямителей осуществляется преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В промышленных установках применяют различные схемы выпрямления переменного тока в постоянный, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. При сравнении различных схем выпрямления учитывают следующие их технические характеристики: число полупроводниковых приборов, коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, габаритную мощность трансформатора.

В большинстве случаев применения выпрямителей средней и большой мощности приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения Ud. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке в условиях изменения напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также регулирования напряжения на нагрузке с целью обеспечения требуемого режима ее работы (например, при управлении скоростью двигателей постоянного тока).

Регулирование выходного напряжения выпрямителей может осуществляться трансформатором с отпайками на вторичной стороне или автотрансформатором. Регулирование сводится здесь к изменению напряжения U2, которому пропорционально напряжение Ud. Существуют также другие способы регулирования, связанные, например, с введением подмагничиваемых постоянным током дросселей насыщения в цепи первичной или вторичной обмотки трансформатора.

Значительно более широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вентилей — тиристоров, в связи с чем выпрямитель называют управляемым.

Однофазные управляемые выпрямители выполняют по схеме с нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия и характеристики однофазных  управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой  схемы укажем лишь ее особенности.

Режим активной нагрузки.

Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом, выполняемая по аналогии со схемой неуправляемого выпрямителя, приведена на рис. 1. Ее анализ будем проводить для двух видов нагрузки — чисто активной и активно-индуктивной. Примем вначале нагрузку чисто активной (ключ К1 включен, ключ К 2 выключен).

Режиму активной нагрузки соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис. 2, а — е. Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения сети и1 (рис. 2, а), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 1 без скобок. Напряжение на выходе выпрямителя ud = 0 (рис. 2, в). К тиристорам Т1, Т2 прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора. На тиристоре Т1 действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре Т2 — в обратном. Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинаковыми, то на интервале 0 —х1 напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определяться величиной (u2-1- u2-2)/2= u2

рис. 2, е).

В момент времени х1, определяемый углом б, от системы управления СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1 (рис.2, б). В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку Rн на напряжение u2-1= u2 вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале  х1 - р  формируется напряжение ud (рис. 2, б), представляющее собой участок кривой напряжения u2-1= u2. Через нагрузку и тиристор Т1 протекает ток (рис. 2, г). При переходе напряжения питания через нуль (х=р) ток тиристора Т1 становится равным нулю и тиристор закрывается.

На интервале  х2 - р = б полярность напряжения питания изменяется на противоположную. На этом интервале оба тиристора выпрямителя закрыты. К тиристору Т1 (рис. 2, е) прикладывается обратное напряжение, а к тиристору Т2 — прямое напряжение, равное и2.

По окончании указанного интервала подается отпирающий импульс на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. Через нагрузку и тиристор протекает ток iа= iа2=иd /Rh (рис. 2, б).

На интервале  2р - х2, проводимости тиристора Т2 напряжения двух вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т2,вследствие чего с момента отпирания тиристора Т2 на тиристоре Т1 действует обратное напряжение, равное 2и2 (рис. 2, е). Максимальному обратному напряжению соответствует значение

,

где — действующее значение вторичного напряжения трансформатора. В по­следующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным. Токи вторичных обмоток трансформатора определяются токами тиристоров Т1, Т2 (рис. 2, г, д). Первичный ток i1 (рис. 2, а) связан с вторичными токами коэффициентом трансформации трансформатора и имеет паузы на интервалах б. Его первая гармоника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно напряжения питания.

Как указывалось, одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ud при изменении угла б(рис.2,е). При б = 0 кривая выходного напряжения иd соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжение максимально.

Углу управления б=р (180 эл. град) отвечают иd = 0 и Ud = 0. Иными словами, управляе­мый выпрямитель при изменении угла б от 0 до 180 эл. град осуществляет регулирование напряжения Ud в пределах от максимального значения, равного 0,9 U 2, до нуля. Вид кривых иd при различных значениях угла б показан на рис. 3, а — г.

Зависимость напряжения Ud  от угла б называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это напряжение на интервале б-р соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 2, в или 3, б, в), т. е. Результат расчета дает

, (1)

где - среднее значение напряжения на нагрузке при б = 0.

На рис. 4 приведена регулировочная характеристика управляемого выпрямителя, построенная по выражению (1).

Индуктивность в цепи нагрузки

Рассмотрим влияние на процессы в схеме рис.1 индуктивности в цепи нагрузки (ключи К1 ,К2 разомкнуты) при б ≠ 0.

Наличие индуктивности LH изменяет характер зависимости id(х), повторяющей вид кривой иd(х) (см. рис. 2, в) при чисто активной нагрузке. После момента открывания тиристора ток 1d (рис. 5, б) плавно нарастает, что соответствует запасанию энергии в индуктивности. При спадании тока эта энергия отдается обратно, в результате чего ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения питания через нуль. Длительность интервала проводимости тиристоров Т1, Т2 возрастает, и они остаются в открытом состоянии в течение некоторого интервала после изменения полярности напряжений u1 и u2. По указанной причине в кривой напряжения иd (рис. 5, а) появляются участки напряжения и2 отрицательной полярности.

Интервалы этих участков при данном угле б зависят от отношения  .

С ростом LH при неизменном значении задержка в уменьшении до нуля тока 1d  возрастает и участки отрицательной полярности в кривой иd занимают больший интервал (пунктирные кривые на рис. 5, а, б). При некоторой величине индуктивности LH эти участки целиком распространяются на интервале б и ток id приобретает непрерывный характер. Такое же влияние оказывает и снижение. Участки отрицательной полярности уменьшают среднее значение напряжения на нагрузке Ud (рис.5, а). В этом проявляется влияние параметров нагрузки на форму и величину выходного напряжения выпрямителя.

Увеличение длительности проводящего состояния тиристоров под действием индуктивности нагрузки приводит к изменению формы кривой напряжения на приборах, получаемой как разность потенциалов их анодов и катодов, по сравнению со случаем чисто активной нагрузки (рис. 5, в). В частности, в кривой напряжения на тиристоре появляется участок со значением прямого напряжения, равным 2и2, продолжительность  которого  возрастает с  увеличением LH.

На рис. 6, а — е приведены временные диаграммы напряжений и токов управляемого выпрямителя в предположении LH→∞. Большая величина LH является наиболее характерным случаем при исполь­зовании выпрямителя на практике. Режим работы выпрямителя характеризуется наличием в кривой напряжения иd (рис. 6, б) участков отрицательной полярности, целиком заполняющих интервалы а, а также идеально сглаженной кривой тока нагрузки id (рис. 6, в). В соответствии с указанной кривой тока id  токи тиристоров ia1 ,ia2 имеют вид импульсов прямоугольной формы. Среднее значение тока тиристоров связано с током ld соотношением la = ld/2.

Потребляемый от сети ток i1 является переменным и имеет прямоугольную форму (рис. 6, а). Его первая гармоника, сдвинута в сторону отставания на угол ц = б относительно напряжения питания.

Кривая напряжения на тиристоре состоит из участков напряжения 2и2 (рис. 6, е). Максимальное обратное напряжение равно (при а < 90'), как и в неуправляемом выпрямителе. Этому же значению соответствует и максимально возможное прямое напря­жение на тиристоре (при б ≥ 90°).

Наличие в кривой напряжения иd участков отрицательной полярности обусловливает отличие регулировочной характеристики управляемого выпрямителя при LH→∞ от случая чисто активной нагрузки. В частности, для рассматриваемой нагрузки напряжение Ud =0 при б = 90°, что соответствует равенству площадей, заключаемых отрезками кривой напряжения иd положительной и отрицательной  полярности  (рис. 6, б).

Регулировочная  характеристика Ud =F(б),

определяемая из выражения

описывается  соотношением, (2) Вид регулировочной характеристики при LH→∞. показан па рис. 4.

При работе управляемого выпрямителя первая гармоника входного тока i1, как отмечалось, отстает от напряжения питания (рис.6, а). Это приводит к потреблению выпрямителем от  сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических показателях установки. Указанное явление можно несколько ослабить, подключив к выходной цепи управляемого выпрямителя  так называемый нулевой диод. Особенности работы выпрямителя по схеме рис. 1 с нулевым диодом  рассмотрим при активно-индуктивной нагрузке с LH→∞ (ключ К1 выключен, ключ К2 включен).  Временные диаграммы напряжений и  токов, приведенные на рис. 7, а— ж, поясняют режим работы схемы.

Отличие проявляется на интервалах б, где ток нагрузки поддерживается энергией, накопленной в индуктивности. В отсутствие нулевого диода ток нагрузки на этих интервалах протекает, как указывалось, по цепи через один из тиристоров и обмотку трансформатора, на которой действует напряжение отрицательной полярности. Наличие нулевого диода исключает указанную цепь протекания тока id, так как через диод Д. напряжение вторичной обмотки трансформатора подается на проводящий тиристор в обратном направлении (например, напряжение и2-.1 на тиристорT1), вызывая его запирание. Вследствие этого ток нагрузки после перехода вторичного напряжения через нуль переводится в цепь диода Д0, минуя тиристоры и обмотки трансформатора. Из-за шунтирования диодом выходной цепи вы­прямителя в кривой напряжения иа (рис. 6.7, б) на интервалах б создаются нулевые паузы. Интервалы проводимости тиристоров Т1, Т2 сокращаются до значения р-б(рис. 7, г, д). Поскольку рассматривается случай LH→∞, ток id идеально сглажен (рис. 7, в), а токи iа1, iа2 (рис. 7, г, д) имеют вид  мпульсов прямоугольной формы с амплитудой Id и длительностью  р-б. Кривая напряжения на тиристоре (рис. 7, ж), также как и кривая иd, соответствует случаю чисто активной нагрузки.

Ток первичной обмотки трансформатора обусловливается токами его вторичных обмоток (анодными токами тиристоров Т1, Т 2), вследствие чего в токе i1 (рис. 7, а) создаются паузы длительностью б. Первая гармоника потребляемого тока i1(1)сдвинута теперь относительно напряжения питания и1 на уголц, равный б/2, в то время как в схеме без нулевого диода фазовый сдвиг между ними был равен б. Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя с нулевым диодом, как и для случая чисто активной нагрузки, описывается соотношением (1).

Однофазный мостовой управляемый выпрямитель.

Схема однофазного мостового управляемого выпрямителя также выполняется по аналогии со схемой неуправляемого выпрямителя. Она применяется в вариантах с полным или неполным числом управляемых вентилей (тиристоров).

Режим работы и регулировочные характеристики мостового выпрямителя с полным числом управляемых вентилей такие же, что и однофазного выпрямителя с нулевой точкой. Отличие проявляется, как и в неуправляемых  выпрямителях, в форме кривой напряжения на вентилях, которая в мостовой схеме определяется напряжением и2, а в схеме с нулевым выводом — напряжением 2и2, т. е. при введении масштабного коэффициента 0,5 кривые напряжения на тиристорах, приведенные на рис. 2, е, 5, в, 6, е для схемы с нулевой точкой, будут действительны и для мостовой схемы. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение,вдвое меньшее, чем в схеме с нулевой точкой. Формы кривых токов первичной и вторичной обмоток трансформатора в мостовой схеме одинаковы и имеют тот же вид, что и кривая первичного тока в схеме с нулевой точкой (см. рис. 2, а, 6, а).

В мостовом выпрямителе с неполным числом управляемых вентилей (несимметричная схема) два вентиля управляемые, а два других — неуправляемые (рис. 8, а). Режим работы схемы подобен режиму однофазной схемы с нулевым выводом и нулевым диодом. При этом в кривой иd также отсутствуют участки напряжения отрицательной полярности (рис. 8, в), а первая гармоника первичного тока имеет фазовый сдвиг относительно напряжения питания, равный ц = б/2.

Особенности работы схемы рассмотрим для случая активно-индуктивной нагрузки с LH→∞ (ток id идеально сглажен, рис.8, г).

Отпирание тиристоров Т1 ,Т3 производят с задержкой на угол б относительно моментов перехода через нуль напряжения и2. На интервале  р-б проводят ток тиристор Т1 и диод Д2.Ток нагрузки id (его контур показан на схеме сплошной линией) протекает через вторичную обмотку трансформатора (полярность напряжения которой обозначена без скобок) и указанные вентили.

По окончании интервала р-б полярность напряжения и2 изменяется, что вызывает запирание диода Д2 и прекращение протекания через него тока id (рис. 8, е). Ток нагрузки, поддерживаемый индуктивностью LH, продолжает протекать через оставшийся в открытом состоянии тиристор Т1 и открывшийся диод Д4 (рис. 8, д, з). Цепь нагрузки оказывается замкнутой накоротко тиристором Т1 и диодом Д4 (контур тока id показан на схеме пунктиром). Иными словами, эти вентили выполняют на интервале а ту же функцию, что и нулевой диод в схеме рис. 1.

В момент времени р+б подачей управляющего импульса открывается тиристор Т3. Под воздействием напряжения  u2  тиристор Т1 закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение (рис. 8, д, и). Нагрузка потребляет энергию от сети по цепи: вторичная обмотка трансформатора — диод Д4 — тиристор Т3 (рис. 8, а, ж, з). По окончании интервала 2р в схеме возникает состояние, подобное окончанию предыдущего полупериода: диод Д4 закрывается, а диод Д2 открывается, образуя совместно с тиристором Т3 короткозамкнутую цепь нагрузки на интервале б.

Таким образом, на интервале б в схеме исключается протекание тока id через вторичную, а следовательно, и первичную обмотки трансформатора. В кривой иd (рис. 8, в) отсутствуют участки напряжения и2 отрицательной полярности, а кривые токов i1 ,i2имеют вид, показанный на рис. 8, б. Угол сдвига первой гармоники потребляемого тока относительно питающего напряжения равен б/2.

Заключение

Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрямленное напряжение от нуля до номинального значения.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямителей являются тиристоры.

Выпрямители средней и большой мощности находят применение Для питания постоянным током различных промышленных объектов и установок. Совместно с ведомыми инверторами их используют для питания сети постоянного тока городского и железнодорожного транспорта, в линиях передач постоянного тока, а также в реверсивных тиристорных преобразователях, предназначенных для работы на двигатель постоянного тока.

Список литературы.

Забродин электроника: Учебник для Вузов, М.: Высшая школа,1982 , "Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок", М., "Радио и связь", 1989 г. , , Трифонюк электроника - К.: Лыбедь,1993 Серяков И, Ю. Ручкин – Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах. Ж. Радио, 2/71г. http://leg. http://www. promti. ru