Управляемые выпрямители

Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения с помощью автотрансформаторов, трансформаторов с подмагничиванием сердечника, реостатов или потенциометров, так и в цепи выпрямленного тока с помощью управляемых выпрямителей.

У

~U_вх

R_н

R₂

R₁

VD

VS

правляемые выпрямители – это устройства, которые позволяют плавно изменять значение выпрямленного напряжения.

C

Управление напряжением на выходе схемы, показанной на рисунке 83,

с

Рисунок 83 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

на тиристоре

водится к управлению во времени

моментом отпирания тиристора. Это

осуществляется за счет сдвига фаз между

анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг называют углом управления и обозначается , а способ управления называют фазовым (рисунок 84).

Управление углом  осуществляют с помощью фазовращающей R₂ C-цепи. Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD₁ обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных импульсов.

Оптимальной формой управляющих сигналов является короткий импульс с крутым фронтом, который обеспечивает четкое отпирание тиристора. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени используются импульсно-фазовые системы управления.

U_вх

0

U_y

0

i_н

0

α

t

t

t

Рисунок 84 – Временные диаграммы входного напряжения U_вх,

напряжения управления U_у и тока на нагрузке i_н

Управление углом  осуществляют с помощью фазовращающей R₂ C-цепи. Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD₁ обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных импульсов.

Оптимальной формой управляющих сигналов является короткий импульс с крутым фронтом, который обеспечивает четкое отпирание тиристора. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени используются импульсно-фазовые системы управления.

Рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ), показанную на рисунке 85.

Мостовой фазовращатель, состоящий из R_ф, C₁ и двух вторичных обмоток трансформатора с выводом средней точки, осуществляет сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению. С его выхода напряжение поступает на вход усилителей – ограничителей на транзисторах VT₁ и VT₂, причем диоды VD₁ и VD₂ срезают отрицательную полуволну этого напряжения. Далее выходные напряжения этих усилителей, имеющих трапециидальную форму, дифференцируются RC-цепочками. При этом получаются двуполярные импульсы малой длительности. Диоды VD₃ и VD₄ делают их однополярными.

1

4

7

8

12

L_н

R_изм

9

5

3

2

11

10

6

T

VS₁

VS₂

VD₃

VD₄

VT₁

VT₂

VD₁

VD₂

S₁

C₂

C₃

C₁

PA

R₁

R₂

R₃

R₄

R₅

R₆

U

220

R_ф

R_н

PV

V

A

Рисунок 85 – Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

на тиристорах с импульсно-фазовым блоком управления

Основные характеристики управляемого выпрямителя:

– характеристика управления, которая выражает зависимость выпрямленного напряжения от угла управления (рисунок 86): U_н = f ();

– внешние характеристики, которые определяют зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при фиксированных значениях угла  (рисунок 87).

Трехфазные управляемые выпрямители являются выпрямителями средней и большой мощностей.

α₁ = 0

α ₂

α ₃

Рисунок 86 – Характеристики

управления управляемого выпрямителя

Рисунок 87 – Внешние характеристики

Рассмотрим работу таких выпрямителей на примере двух схем (рисунки 88, 89):

– схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом;

– схема трехфазного мостового выпрямителя.

L_н

R_н

a

b

c

ИФБУ

Рисунок 88 – Схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом

Выпрямитель обычно работает на активно-индуктивную нагрузку. Длительность работы тиристоров определяется углом управления , значение которого задается импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).

a

b

c

R_н

I_н

ИФБУ

VS₁

VS₂

VS₃

VS₄

VS₅

VS₆

Рисунок 89 – Схема трехфазного мостового выпрямителя

Изменение угла  приводит к изменению средних значений выпрямленных напряжения и тока . Это видно на временных диаграммах при индуктивной нагрузке L_н = 0 (рисунок 90).

При  < /6 выпрямленный ток i_н имеет непрерывный характер и каждый тиристор открыт в течение времени, соответствующего углу 2/3.

При  > /6 в выпрямленном токе i_н появляются паузы.

U₂

U_2a

U_2b

U_2c

t

t

t

i_н

i_н

i_н

i_н

0

0

0

α

α

α > π / 6

α > π / 6

π / 3

π / 3

α

α

Рисунок 90 – Временные диаграммы трехфазного выпрямителя

с нулевым выводом

На рисунке 91 видно, что при L_н = 0 среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю при  = 1500. Если трехфазный выпрямитель работает на нагрузочное устройство с индуктивным сопротивлением L_н = , то напряжение на нагрузочном устройстве становится равным нулю при  = 90°. Характеристики управления при L_н  0 L_н   располагаются между этими двумя предельными характеристиками. Нагрузочный ток i_н при L_н =  будет сглаживаться и иметь непрерывный характер при  >  / 6.

Рассмотрим схему трехфазного мостового управляемого выпрямителя (см. рисунок 89). В него входят шесть тиристоров. Тиристоры VS₁, VS₂, VS₃ объединены в катодную группу, а тиристоры VS₄, VS₅, VS₆ – в анодную группу. Так же, как и в неуправляемом выпрямителе, здесь одновременно работают два тиристора: один из анодной группы, другой – из катодной. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180° сигнал, поступающий на тиристор анодной группы.

α,град.

100

20

60

40

0

20

40

60

100

120

140

L_н = 0

L_н = ∞

Рисунок 91 – Характеристика управления трехфазного выпрямителя

Характеристики управления выглядят так же, как для выпрямителя с нулевым выводом. Отличие лишь в том, что предельным углом управления, при котором = 0, является угол  = 120°. Внешние характеристики трехфазных управляемых выпрямителей имеют такой же вид, как внешние характеристики неуправляемых выпрямителей.