3.2. Однофазные управляемые выпрямители

Для большинства потребителей выпрямители должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Это достигается применением управляемых выпрямителей. Управляемым называется выпрямитель, содержащий управляемые вентили и позволяющий регулировать величину выпрямленного напряжения. Наиболее широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя.

Рассмотрим принцип работы однофазного выпрямителя на примере схемы с нулевым выводом при активной нагрузке (рис.3, а; ключ К замкнут). Вентильными элементами в этой схеме являются тиристоры. Режиму активной нагрузки соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис.3, б-д.

Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения сети. На интервале 0÷υ тиристоры Т1 и Т2 закрыты (на Т1 действует напряжение в прямом направлении, а на Т2 - в обратном) напряжение u_d равно нулю (см.рис.3, д). В момент времени υ₁, определяемый углом  (угол , отсчитываемый от точки естественного отпирания вентилей и выраженный в градусах, называют углом управления) от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1(рис.3, в). Тиристор отпирается и подключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале υ₁÷ формируется напряжение u_d (см. рис.3, г), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку протекает ток i_d=i_a1=u_d/R_н (см.рис.3, д). При переходе напряжения питания через нуль (υ=) ток тиристора Т1 становится равным нулю, тиристор закрывается.

Следующий интервал υ₂÷= характеризуется изменением полярности напряжения питания на противоположную. На этом интервале оба тиристора закрыты. К тиристору Т1 прикладывается обратное напряжение, а к тиристору Т2 – прямое (см. рис.3, г). По окончанию указанного интервала подается отпирающий импульс на тиристор Т2. Далее процесс повторяется.

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии U_вm=2 U₂.

Рисунок 3 – Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевой точкой и его временные диаграммы при чисто активной нагрузке

3.3. Регулировочная характеристика выпрямителя

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла  называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

При =0 кривая выходного напряжения u_d соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжение U_d=0,9U₂ максимальное. При L_н=0 углу управления = (т.е.тиристор закрыт в течении всего полупериода) соответствуют u_d=0 и U_d=0. Таким образом, управляемый выпрямитель при изменении угла  от 0 до 180º регулирует напряжение U_d от максимального значения до нуля.

Среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления

(1)

где U_do= 0,9U₂ – среднее значения напряжения на нагрузке при =0.

Вид регулировочной характеристики управляемого выпрямителя показан на рис.4. Кривая 1 соответствует чисто активной нагрузке выпрямителя.

Рисунок 4 – Регулировочная характеристика однофазного управляемого выпрямителя

Рисунок 5 – Кривые выходного напряжения (а) и тока нагрузки (б) в схеме однофазного управляемого выпрямителя в зависимости от величины индуктивности нагрузки

Рассмотрим влияние на процессы в исследуемой схеме индуктивности в цепи нагрузки (ключ К на рис.3,а, разомкнут). После момента открытия, например тиристора Т1, ток i_d, нарастает не скачком как напряжение, а плавно (рис.5, б), что соответствует запасанию энергии в индуктивности. При спадании тока запасенная энергия отдается обратно, поэтому ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения питания через нуль. Интервалы проводимости тиристоров возрастают, и они остаются открытыми в течение некоторого времени после изменения полярности напряжений u₁ и u₂. Последнее является причиной появления в кривой выпрямленного напряжения участков отрицательной полярности (см.рис.5, а). Увеличение индуктивности L_н приводит к большей задержке спадания тока i_d до нуля и к возрастанию участков отрицательной полярности в кривой u_d. При некотором значении индуктивности L_н эти участки могут целиком распространяться на интервалах  и ток i_d приобретает непрерывный характер. Участки отрицательной полярности уменьшают среднее значение напряжения на нагрузке (рис.3.5, а-пунктир).

Наличие в кривой напряжения u_d участков отрицательной полярности обусловливает отличие регулировочной характеристики управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой от случая чисто активной нагрузки. Регулировочная характеристика U_d=f() при активно-индуктивной нагрузке определяется из соотношения:

(2)

и проходит ниже той же характеристики, снятой при активной нагрузке (см.рис.4 – пунктир). В частности, при L_н  регулировочная характеристика управляемого выпрямителя имеет вид кривой 2 на рис.4. Следовательно, кривые 1(L_н = 0) и 2(L_н  ) на рис.4. ограничивают область расположения регулировочных характеристик для промежуточных значений.