Контрольні запитання

1. Чому мостову схему випрямляча називають двотактною?

2. Чим пояснюється поява в кривій випрямленої напруги частини від'ємних напівперіодів напруги живлення в разі роботи випрямляча на активно-індуктивне навантаження?

3. Чим пояснюються зміни в режимі роботи випрямляча в кожній зі схемних модифікацій?

Короткі теоретичні відомості

Випрямлячем називають пристрій, призначений для перетворення змінної напруги (струму) в однополярну пульсуючу напругу (струм). Його основним елементом є напівпровідниковий діод, тобто прилад з односторонньою провідністю.

Однофазна мостова схема є однією з найпростіших схем випрямлячів. Вона класифікується як двотактна двонапівперіодна, в котрій випрямлена напруга складається з двох напівперіодів одного знаку, що утворюються зі змінної напруги джерела живлення. Струм у вторинній обмотці трансформатора при роботі на таку схему протікає двічі за період, причому у протилежних напрямках. В зв’язку з цим, постійна складова струму у вторинній обмотці трансформатора відсутня, що забезпечує випрямлячу високий коефіцієнт використання трансформатора.

Робота схеми побудована на почерговому перемиканні пар діодів під впливом напруги джерела живлення. Верхня пара діодів VD ₁ та VD ₂ (див. рис.1а) має з’єднані катоди, потенціал яких завжди залишається однаковим. Те ж саме стосується нижньої групи VD ₃ та VD ₄, з тією різницею, що однаковим залишається потенціал анодів. Тому в верхній (катодній) групі буде вмикатись, на визначеному відрізку часу, той діод, потенціал анода якого найвищий. На тому ж відрізку часу в нижній (анодній) групі буде вмикатись діод з найнижчим потенціалом катода. Наприклад, якщо додатний потенціал має початок вторинної обмотки (додатний напівперіод на рис.2.2), то в верхній групі ввімкнеться діод VD ₁. Кінець обмотки на цьому часовому інтервалі має від’ємний потенціал, тому в нижній групі ввімкнеться діод VD₃. Струм потече по колу: початок обмотки W₂-VD ₁ – навантаження - VD ₃ – кінець обмотки W₂. При зміні знаку вхідної напруги ( вказана в дужках рис. 2.1,а) ввімкнеться пара діодів VD ₂ та VD ₄, а попередня пара вимкнеться. Струм потече по колу: кінець обмотки W₂ – VD₂ – навантаження – VD₄ початок обмотки W₂.

В обох випадках напрям струму в навантаженні не змінюється, тобто відбувається його випрямлення.

В разі активного навантаження форма струму в обмотках трансформатора буде синусоїдною, а в навантаженні співпадатиме з формою напруги, як це зображено на діаграмах рис.2.2,б, в.

Якщо ключ К₂ розімкнути, то характер навантаження зміниться і форма струму стане згладженою, як це зображено пунктиром на діаграмі рис.2.2,в.

Форма напруги на навантаженні залишиться без змін, так як моменти перемикання діодів, незалежно від характеру навантаження, визначаються зміною знаку електрорушійної сили (е.р.с.) вторинної обмотки трансформатора.

При виконанні умови струм в обмотках трансформатора набуває прямокутної форми (див. рис. 2.2,д,ж).

Середнє значення випрямленої напруги, незалежно від характеру навантаження, знаходиться з виразу:

. (2.1)

Враховуючи зв'язок між діючим та амплітудним значенням напруги, вираз (2.1) можна записати у вигляді

(2.2)

де: U₂ – діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора.

Постійна складова струму навантаження визначається за законом Ома:

(2.3)

Рисунок 2.2

Одним з показників ефективності схеми випрямляча є коефіцієнт використання трансформатора, що визначається з відношення:

(2.4)

де: S_тип – типова потужність трансформатора; P_d – потужність навантаження.

Під типовою потужністю розуміють середню потужність трансформатора, тобто:

де: S₁ – повна потужність первинної обмотки трансформатор;

S₂ – повна потужність вторинної обмотки.

Для мостових схем випрямлячів S₁=S₂=S_тип. У випадку активного навантаження S₁=S₂=P_d і тому

Якщо навантаження носить активно-індуктивний характер, то К_В стає більше одиниці за рахунок несинусоїдної форми струму в обмотках трансформатора.

Діюче значення струму вторинної обмотки в такому випадку буде дорівнювати:

,

Звідки повна потужність цієї обмотки:

.

Так як S₁=S₂, то коефіцієнт використання трансформатора К_в=1,11.

Розглянемо керований режим роботи випрямляча. Його можливі схеми зображенні на рис.2.1,б,в,г. Вони відрізняються за кількістю та місцем вмикання тиристорів, а також мають деякі відмінності в характері протікання електромагнітних процесів в залежності від характеру навантаження.

Для вмикання тиристорів використовується система керування, що генерує пару імпульсів u_k. Моменти подачі імпульсів визначають кути вмикання α та . Система керування забезпечує плавне регулювання кута α – в межах для першого імпульсу та для другого імпульсу. Тобто пара імпульсів жорстко зв’язана між собою напівперіодом та синхронізована з напругою джерела живлення.

В разі активного навантаження усі три схеми працюють однаково, без особливих відмінностей. Так як в кожному з плечей мосту ввімкнено хоча б один тиристор, то регулювання здійснюється на обох півперіодах. Розглянемо роботу випрямляча детальніше. До подачі імпульсів керування тиристори вимкнені і напруга на навантаженні дорівнює нулеві. В момент появи вмикаючих імпульсів відкривається відповідна пара тиристорів і до навантаження прикладається напруга вторинної обмотки u₂ ( див. діаграму рис. 2.3).

Рисунок 2.3

В разі зміни кута α площа прикладених до навантаження півперіодів напруги мережі живлення також буде змінюватись. Як наслідок, буде змінюватись і середнє значення випрямленої напруги. Зв'язок цієї напруги з кутом α встановлюється за допомогою виразу:

(2.5)

де: U_d0 – середнє значення випрямленої напруги за умови α=0°ел.

З виразу (2.5) витікає, що керований випрямляч при α=0° не відрізняється за режимом роботи від некерованого.

Рисунок 2. 4 - Діаграми напруги та струму при роботі випрямляча на активно – індуктивне навантаження

Для активного навантаження миттєві значення струму та напруги співпадають за формою. Так як в мостовій схемі випрямляча на інтервалі відкритого стану кожної пари перемикаючих приладів, навантаження, вторинна обмотка та відповідна пара тиристорів з’єднані послідовно, то струм в цій обмотці за формою та величиною також буде співпадати зі струмом навантаження. Його перша гармонічна складова буде зсунута відносно напруги живлення на кут φ, що тотожньо дорівнює α (див. діаграму рис. 2.3,д). Таким чином, керований випрямляч, навіть в режимі активного навантаження, споживає за першою гармонікою реактивну потужність, рівень якої залежить від кута керування α. Як наслідок, його коефіцієнт потужності за цією гармонікою завжди буде меншим одиниці.

В режимі активно-індуктивного навантаження характер перебігу електромагнітних процесів в випрямлячі змінюється. Це пояснюється здатністю індуктивності накопичувати енергію в магнітному полі.

При зміні знаку вхідної напруги, працююча пара тиристорів буде утримуватись у відкритому стані струмом навантаження до моменту вмикання наступної пари. Тільки в цю мить струм навантаження, який завдяки наявності індуктивності не може перериватись, перемкнеться на тільки що відкриту пару тиристорів, а попередня пара одержить можливість вимкнутись. Через утримувану відкритою попередню пару тиристорів до навантаження буде прикладатись частина від'ємних напівперіодів напруги вторинної обмотки трансформатора, як це зображено на діаграмі рис. 2.4,в.

Характер залежності між кутом α та рівнем середньої напруги U_d також зміниться. Користуючись виразом (2.5) і враховуючи форму випрямленої напруги, матимемо:

(2.6)

Отримана залежність свідчить про можливість суттєвої зміни режиму роботи випрямляча. По-перше, при α=90° ел вихідна напруга стає рівною нулеві. За умови подальшого зростання кута α ця напруга може змінювати знак. Графічно така залежність зображена на рис.2.5.

Рівність нулеві та зміна знаку середнього значення випрямленої напруги може мати місце тільки за певних обставин. Якщо випрямляч навантажений резистивно-індуктивним ланцюгом (котушкою індуктивності), то зміна знаку випрямленої напруги при кутах неможлива.

Рисунок 2.5

Рисунок 2.6

На рис.2.6 наведені експериментальні залежності U_d(α) для котушок з різними співвідношеннями , причому , тобто по мірі зростання реактивної складової опору навантаження, яка залежить в даному випадку тільки від величини індуктивності L_d, експериментальні криві наближаються до теоретичної залежності тільки в межах зміни кута α. Якщо то теоретична та експериментальні криві у верхній, позитивній, частині майже співпадають, але зміна знаку середнього значення випрямленої напруги не відбувається. Навіть за умови при кутах тиристори вмикатись не будуть і постійна напруга та струм залишатимуться нульовими. Пояснюється це відсутністю додаткових джерел живлення в колі навантаження та неможливістю реверса струму в цему колі, що, в свою чергу, пояснюється односторонньою провідністю тиристорів випрямного мосту.

Для кінцевих співвідношень , що мають місце у лабораторній роботі, миттєва випрямлена напруга для різних кутів α має вигляд, наведений на рис.2.7. За будь-якого кінцевого значення відношення між та , площа верхньої, позитивної частини напівперіоду синусоїди, буде більшою порівняно з нижньою, від’ємною, частиною півперіоду. Тобто тривалість інтервалу заряду t_зар індуктивності навантаження завжди буде більшою порівняно з інтервалом її розряду t_розр., коли накопичена в індуктивності L­_d енергія повертається в мережу живлення.

Рисунок 2.7

Така нерівність пояснюється тим, що на інтервалі заряду втрати в колах випрямляча та навантаження покриваються за рахунок первинного джерела живлення, тобто мережі. На інтервалі розряду, коли індуктивність повертає накопичену енергію, зазначені втрати покриваються саме за рахунок частини цієї енергії. Тому тривалість розряду скорочується і величина t_розр. завжди буде меншою порівняно з інтервалом t_зар. Це означає, що площа верхньої, позитивної частини півперіоду напруги живлення, що забезпечує заряд індуктивності, буде більшою за площу нижньої, від'ємної частини півперіоду, існування якої обумовлене розрядом тієї ж індуктивності. Тобто середнє значення випрямленої напруги U_d залишиться позитивним незалежно від величини кута α.

Наявність нульового інтервалу в кривій випрямленої напруги та його тривалість залежить як від кута α, так і від співвідношення . Чим більше таке відношення, тим коротший нульовий інтервал і з'являється він при достатньо значних кутах α.

Таким чином, залежність U_d(α), обумовлена виразом (2.6), може мати місце в усьому діапазоні зміни кута α лише в тому випадку, коли в коло навантаження увімкнути додаткове джерело живлення з умовою збереження попереднього напряму струму. Іншими словами, вираз (2.6) виконується в усьому діапазоні зміни кута α, якщо в якості навантаження використовується двигун постійного струму, який на ділянці регулювання здійснює рекуперативне заторможення, тобто коли виникає такий режим його роботи, при якому проти е.р.с. Е_р двигуна змінює свій знак і стає більшою за середнє значення випрямленої напруги U_d, а механічний момент на його валу отримує від'ємне значення. Напрям струму в колі навантаження при цьому залишається незмінним.

Пояснити процес рекуперативного заторможення двигуна можна за допомогою його механічних характеристик, як це зображено на рис.2.8.

Рисунок 2.8 – Зміна режиму робота двигуна за умови його

рекуперативного заторможення

Припустимо, що в режимі холостого ходу ротор двигуна обертається зі швидкістю ω₁. По мірі його механічного завантаження ця швидкість поступово зменшується і для моменту Мс частота обертання ротора буде визначатися положенням робочої точки Р_1Д.

Якщо необхідно знизити кількість обертів двигуна, тобто перейти на характеристику ω₂(М) з тим же механічним моментом Мс, то робоча точка не може стрибком зайняти положення Р_2Д в силу механічної інерції електроприводу. Цей перехід здійснюється поступово в послідовності, вказаній стрілками. Спочатку двигун переходить в режим генератора, отримуючи від’ємний механічний момент (-Мс), і робоча точка займає положення Р_1Г. Потім, в силу згасання інерції, вона зміщується вниз по характеристиці ω₂(М) і займає положення Р_2Д, що відповідає заданому механічному моменту Мс на валу двигуна.

Рекуперативне заторможення можливе на відрізку часу, за який робоча точка зміщується від Р_1г до ω₂ , тобто на відрізку на якому має місце генерування електричної енергії. Цю енергію за допомогою випрямляча можна повернути, або рекуперувати, в мережу живлення. Для цього, як відомо, потрібно встановити кут , але на такому рівні, щоб проти е.р.с. двигуна залишалась більшою за середнє значення випрямленої напруги, яка змінює свій знак, і як це зображено на рис. 2.9.

Рисунок 2.9 – Часові діаграми випрямляча в режимі рекуперативного

заторможення двигуна

Дотримання умови E_p > U_d забезпечує вмикання тиристорів, але послідовність їх перемикання визначається напругою мережі живлення. Тобто випрямляч на відрізку генерування починає працювати в режимі інвертора, веденого мережею і енергія передається від навантаження в мережу живлення, тобто в зворотньому по відношенню до випрямлення, напрямку.

Рисунок 2.10

Якщо ж випрямляч працює на котушку індуктивності (обмотка збудження, електромагніт та ін.) то такий режим роботи не тільки неможливий, але й небажаний оскільки при кутах випрямлена напруга стає близькою до нуля і при подальшому зростанні кута α слабо залежить від його значення. Тобто діапазон регулювання випрямляча звужується, а якість регулювання погіршується.

З метою усунення цього недоліку використовуються різні методи, серед яких найбільш розповсюдженим є застосування зворотного діода VD₀, котрий вмикається зустрічно-паралельно навантаженню, як це зображено на рис.2.1,б. На інтервалі, коли наступна пара тиристорів ще не ввімкнута, а вхідна напруга змінила знак, струм розряду індуктивності навантаження перемикається на зворотній діод, що дозволяє одночасно вимкнутись працюючій парі тиристорів. Тоді навантаження повністю відключається від джерела живлення і в кривій випрямленої напруги зникають ділянки від'ємних напівперіодів. Тобто завдяки застосуванню зворотного діода, регулювальна характеристика випрямляча стає такою ж як і в разі активного навантаження. Миттєві діаграми струмів та напруг випрямляча зі зворотнім діодом зображені на рис.2.10.

Другим, більш ефективним способом, є використання схемних модифікацій випрямляча, коли пара тиристорів замінюється відповідною парою діодів, що здешевлює випрямляч, спрощує його систему керування та поліпшує регулювальні властивості. Наприклад, для схеми рис. 2.1,в функцію зворотнього діода виконують власні діоди VD₁ та VD₂ випрямляча. В момент перемикання тиристорів, діод попередньої пари, на відміну від тиристора, не вимикається і струм навантаження перемикається на пару VD₁ та VD₂, відключаючи тим самим навантаження від джерела живлення. Так продовжується до моменту вмикання наступного тиристора.

Така схема є найбільш ефективною оскільки завантаження тиристорів та діодів в ній суттєво відрізняються. Так, при зміні полярності вхідної напруги, вмикається діод наступної пари, що забезпечує вимикання тиристора попередньої пари. Накопичена в індуктивності енергія буде розсіюватись в контурі r_d-L_d-VD₁-VD₂ внаслідок чого тривалість відкритого стану тиристорів в такій схемі складає , в той же час тривалість відкритого стану діодів буде . Перевага такої схеми очевидна, оскільки температурні режими роботи діодів та тиристорів рівної потужності суттєво відрізняються на користь перших. Регулювальна характеристика такого випрямляча залишається такою ж як і в режимі резистивного навантаження, оскільки індуктивність навантаження розряджається сама на себе через пару діодів, які на інтервалі розряду виконують функцію зворотних діодів (діодів реактивного струму).

Що стосується схеми рис. 2.1,г, то вона працює аналогічно попередній з тією різницею, що струм навантаження почергово закорочується на пари VT₁ і VD₁, та VT₂ і VD₂. В такому випадку завантаження струмом і діода, і тиристора виявляється однаковим, що є недоліком даної схеми.

Пропонуємо студентам самостійно викреслити часові діаграми роботи такого випрямляча.