20. Выпрямители

С помощью выпрямителей осуществляется преобразова­ние энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители широко применяются в электроприводе по­стоянного тока, в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока, в системах возбуждения синхронных дви­гателей.

Выпрямители классифицируются по нескольким призна­кам. По числу фаз напряжения переменного тока их подраз­деляют на однофазные и трехфазные, а по виду схемы сило­вой части — на мостовые и с нулевым выводом. По управ­ляемости (возможности регулирования напряжения на выхо­де выпрямителя) их подразделяют на неуправляемые, полу­управляемые и управляемые. Выпрямители, позволяющие из­менять полярность своего выходного напряжения, называют­ся реверсивными, они обычно состоят из двух комплектов нереверсивных выпрямителей.

В силовой части неуправляемых выпрямителей использу­ются диоды и их модули, в полууправляемых — диоды и ти­ристоры, а управляемых — тиристоры. Для согласования уровней переменного (входного) напряжения и постоянного (выходного) напряжения в схемах выпрямителей используют­ся трансформаторы, которые одновременно выполняют роль гальванической развязки цепей переменного и постоянного тока.

В промышленных установках применяют различные схемы преобразования 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.

Рассмотрим типовые схемы выпрямления переменного тока.

Однофазная мостовая схема (рис. 5.6, а) содержит четыре диода V1 — V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напря­мую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряже­ния, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка R_H. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпря­мителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В од­нофазной мостовой схеме диоды работают поочередно пара­ми VI, V3 и V2, V4 (см. рис. 5.6, б). В положительный полупе­риод напряжения U_2ф ток проходит через диод V1 нагрузку R_H к диоду V3. Так как в это время диоды V2, V4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее зна­чение которого . В отрицательный полупериод ток про­ходит через диод V2, нагрузку R_Н к диоду V4. При этом об­ратное напряжение прикладывается к диодам VI и V3. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от вы­прямленного напряжения и с опротивления нагрузки.

Выпрямленное напряжение U_d (рис. 5.6, в) имеет постоян­ную составляющую U_d.cp и переменную составляющую U_d.cp~ (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше пере­менная составляющая, тем меньше пульсация. При идеальном преобразовании переменного тока в постоянный переменная составляющая равна нулю. Важным показателем работы вы­прямителя служит отношение амплитуды переменной со­ставляющей к выпрямленному напряжению, называемое ко­эффициентом пульсации выпрямленного напряжения

где m — число фаз источника. Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряже­ния применяют в основном в электроустановках малой мощ­ности.

Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 5.7, а) со­стоит из трех диодов. Анодные выводы диодов обычно под­ключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов. При активной на­грузке R_H ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в других, а выпрямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (см. рис. 5.7, в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и в (см. рис. 5.7, б), назы­ваемых точками естественной коммутации диодов, ток пре­кращает проходить в одном диоде и начинает протекать че­рез другой диод. Трехфазная нулевая схема позволяет полу­чать выпрямленное напряжение более сглаженной формы с переменной составляющей U_d~ меньшей амплитуды, чем однофазная мостовая. Наибольшее обратное напряжение U_{обр. max}, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного напряжения (см. рис. 5.7, г).

Недостаток трехфазной нулевой схемы — прохождение через вторичные обмотки тока (i_a2, i_b2, i_c2) только в одном на­правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вызывающий дополнительный нагрев трансформатора. По­этому схему широко применяют только в выпрямительных установках с трансформаторами, ток вторичной обмотки ко­торых не превышает 100 А.

Т рехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.8, а) со­стоит из шести диодов, которые образуют две группы: с об­щим катодным выводом (V1, V3 и V5) и общим анодным вы­водом (V2, V4 и V6). Диоды подключаются непосредственно к сети или через трансформатор, первичные и вторичные обмотки которого соединены в звезду или треугольник.

В нечетной группе (V1, V3 и V5) в течение каждой трети периода работает тот диод, у которого выше потенциал выво­да (рис. 5.8, б), например, интервал а-б для диода V1. В чет­ной группе в этот интервал времени работает тот диод, у ко­торого катодный вывод имеет наиболее отрицательный по­тенциал (интервал а-г для диода V6 и г-б для диода V2) по отношению к общей точке анодных выводов. Таким образом, в интервале а-г (рис. 5.8, б) ток i_н проходит от фазы а транс­форматора через диод V1, нагрузку R_H, диод V6, к фазе в трансформатора (см. рис. 5.8, а). В интервале г-б (см. рис. 5.8, б) ток проходит через диод V1, нагрузку R_Н и диод V2 (отмечено пунктирной линией).

В трехфазной мостовой схеме в любой момент времени при активной нагрузке ток проходит через два диода — один из нечетной, а другой — из четной группы. Диоды нечетной группы коммутируются в момент пересечения положитель­ных участков синусоид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при наличии двух групп получают шестипульсное выпрямление (кривая U_d0, см. рис. 5.8, б).

Достоинствами трехфазных мостовых схем, широко при­меняемых в выпрямительных устройствах, являются: неболь­шой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обратное напряжение; малая габаритная мощность трансформаторов; отсутствие вынужденного подмагничивания, так как ток во вторичной обмотке трансформатора из­меняет свое направление.

Основные технические характеристики различных схем выпрямления приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4
Основные технические характеристики схем выпрямления
	Число фаз	Соотношение между электрическими параметрами схем вы­прямления
Схема выпрямления	выпрям­ления (пульс-ность), т	Выпрямлен­ным и фаз­ным напря­жениями, Ud0/U2ф	Максималь­ным обрат­ным и вы­прямленным напряжения­ми, Uобр. max /Udo	Фазным и выпрямлен­ным токами, I2/Id	Мощностью трансформатора и выпрямленной мощностью преобразователя, Sтр/Pd	Коэффициент пульса­ции выпрямленного на­пряжения q = 2/(т2 - 1)
Однофазная мостовая	2	0,9	1,57	1,11	1,23	0,67
Трехфазная нулевая	3	1.17	2,09	0,585	1,37	0,25
Трехфазная мостовая	6	2,34	1,045	0,817	1,05	0,057
Примечание: I2 – ток вторичной обмотки трансформатора.

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

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

Тиристоры — не полностью управляемые полупроводни­ковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояния­ми равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 5.9, а), имеющий три элек­трода (анодный вывод А, катодный К и управляющий элек­трод У), начинает проводить ток в том случае, если к анод­ному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потен­циала сопротивление тиристора будет зависеть от управляю­щего тока. При отсутствии управляющего сигнала (I_у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляю­щего тока (I_у = I_ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управ­ления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательно­го напряжения.

Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управ­ляющий импульс нужной формы и мощности, а также осу­ществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофаз­ной сети на активную нагрузку (см. рис. 5.9, а). Предполо­жим, что управляющий импульс в интервале Ωt₀ - Ωt₁ от­сутствует (I_у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку R_H практические не проходит (см. рис. 5.9, б).

После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (I_у = I_ун) тиристор открывается (см. рис. 5.9, в), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижа­ется. Под действием напряжения сети U_c через нагрузку R_H проходит ток I_н (см. рис. 5.9, г), который зависит от напря­жения сети и сопротивления резистора (интервал Ωt₁ — Ωt₂). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интер­вал Ωt₂ — Ωt₃) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору при­кладывается обратное напряжение U_обр (см. рис. 5.9, д). На рис. 5.9, б, д приняты обозначения: U_H — напряжение на на­грузке; U_aк — напряжение анод — катод тиристора; U_yк — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.

Для изменения среднего значения выпрямленного напря­жения U_d необходимо сдвинуть по фазе управляющий им­пульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения не­обходимо управляющий импульс подавать с отставанием по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 5.9, в). Сдвиг по фазе между точкой естественной ком­мутации тиристора и моментом подачи управляющего им­пульса называется углом регулирования α.

В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод. При подаче управляющего сигнала симмистор открывается для обеих по­луволн переменного тока.

Однофазный полууправляемый преобразователь пере­менного тока в постоянный. В полууправляемом однофазном преобразователе, имеющем в плечах мостовой схемы управ­ляемые и неуправляемые диоды, выходное напряжение все­гда положительно, поэтому поток энергии направлен из сети к двигателю. В электропроводах с полууправляемыми преоб­разователями рекуперация энергии в сеть невозможна.

Схема, графики токов и напряжений при симметричном управлении тиристорами и непрерывном токе якоря изобра­жены на рис. 5.10.

В полууправляемом преобразователе тиристор VS1 пере­ходит в открытое состояние в момент, соответствующий углу α, а тиристор VS2 — углу π + α относительно питающего на­пряжения u. В течение фазового интервала α < Ωt < π двига­тель подключается к сети через тиристор VS1 и диод VD2, а напряжение на зажимах якорной цепи u_я равно питающему u. При Ωt > π напряжение и изменяет полярность. Ток якоря i_я теперь потечет через обратный диод VD0, поскольку тири­стор VS1 закрыт. Обратный диод выполняет функцию защи­ты преобразователя от перенапряжений. В фазовом интервале π < Ωt < π+α цепь якоря закорочена обратным диодом, в связи с чем напряжение на якоре u_я = 0.

В интервале открытого состояния тиристора (α < Ωt < π) энергия поступает из сети и преобразуется в энергию, запасаемую в индуктивности якорной цепи L_я, кинетическую энергию движущихся частей электропривода и полезную ра­боту. В фазовом интервале π < Ωt < π + α тиристор закрыт, запасенная в индуктивности энергия преобразуется в меха­ническую, а продолжающий протекать по якорной цепи ток i_я создает электромагнитный момент. В этом интервале энер­гия в сеть не возвращается.

Таким образом, в полууправляемом преобразователе про­исходит чередование интервалов, в одном из которых двига­тель соединен с сетью через открытый тиристор, а в дру­гом — отсоединен от сети.

Уравнения для якорной цепи двигателя, управляемого от полууправляемого преобразователя, имеют вид:

где e_я — ЭДС двигателя.

При α = 0 и синусоидальной форме питающего напряже­ния среднее значение напряжения якорной цепи определяет­ся по формуле

где U — действующее значение напряжения переменного тока на входе преобразователя.

В связи с невозможностью рекуперации энергии в сеть электродвигатель, управляемый от полууправляемого преоб­разователя, работает только в первом квадранте механиче­ских характеристик.

Однофазный полностью управляемый полупроводнико­вый преобразователь переменного тока в постоянный. В полностью управляемом преобразователе, показанном на рис. 5.11, а, тиристоры VS1 и VS3 переходят в открытое со­стояние одновременно в фазе α, a VS2 и VS4 — в фазе π + α. В этой схеме двигатель постоянно связан с сетью через пары тиристоров, причем в фазовом интервале α < Ωt < π + α открыты тиристоры VS1, VS3. В момент, соответствующий π + α, тиристоры VS2 и VS4 переходят в открытое состоя­ние, при этом к тиристорам VS1 и VS3 через открытые тиристоры VS2 и VS4 прикладывается напряжение обратной по­лярности, которое закрывает их. Такая коммутация получила название естественной.

Ток якоря двигателей i_я, ранее протекающий через VS1 и VS3, теперь начнет протекать через тиристоры VS2 и VS4.

В течение фазового интервала α < Ωt < π энергия из сети передается двигателю, поскольку u, i, и u_я, i_я положительны, см. рис. 5.11, б. Напротив, в течение фазового интервала π < Ωt < π + α часть энергии из якорной цепи возвращается в сеть, так как u_я и i_я, а также u и i, имеют разные знаки.

Уравнение для якорной цепи двигателя, управляемого от полностью управляемого преобразователя, имеет вид:

При синусоидальной форме питающего напряжения сред­нее значение напряжения якорной цепи для полностью управляемого преобразователя определяется по формуле

При α > 90° среднее значение напряжения якорной цепи становится отрицательным. Если ЭДС изменяет свою поляр­ность вследствие изменения направления вращения вала дви­гателя на противоположное, а направление тока в якорной цепи остается неизменным, то электрическая машина работа­ет как генератор, отдавая энергию в сеть. Режим работы пре­образователя, при котором энергия возвращается в сеть, на­зывается инверторным и применяется для рекуперативного торможения двигателя. Поскольку из-за односторонней про­водимости тиристоров ток якоря не изменяет свое направле­ние, а полярность напряжения якорной цепи может изме­няться, электропривод с одним комплектом полностью управ­ляемого преобразователя может работать в первом и четвер­том квадрантах механических характеристик.

В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 5.12, а), управляющие импульсы U_y1 – U_y2, поступающие от СИФУ, должны быть соответст­вующим образом сфазированы с напряжением трансформа­тора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, е (см. рис. 5.12, б) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базо­вых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряже­ние U_d0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол α (рис. 5.12, б) тиристоры открываются позже, а среднее вы­прямленное напряжение U_{d ср} будет меньше, чем наибольшее выпрямленное U_d0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле

U_{d ср} = U_do cosα,

где α — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум че­рез два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 5.12, б), сдвинутые относительно друг друга на 60 эл. град. В этом случае имеет место одновременная подача им­пульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2, и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестипульсное выпрямление (кривая U_d, см. рис. 5.12, б).