2.2.3 Выпрямители на полностью управляемых вентилях

Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой, а также управляемые выпрямители с активной нагрузкой имеют коэффициент мощности меньше единицы. Они обмениваются с источником питания реактивной энергией, загружая сети дополнительными токовыми составляющими, приводя при этом к заметным искажениям формы тока и напряжения. Снижение уровня обмена реактивной энергией с источником питания достигается применением устройств принудительной коммутации незапираемых тиристоров или полностью управляемых вентилей (запираемых тиристоров или силовых транзисторов). Посредством опережения выключения вентилей в плечах выпрямителя можно обеспечить уменьшение угла фазового сдвига основной гармонической составляющей. При этом не обеспечивается снижение искажения формы тока.

На рис. 2.18 показаны закономерности изменения напряжения и тока питающей сети для однофазного выпрямителя на полностью управляемых вентилях. Регулирование осуществляется с помощью угла включения вентиля α и угла выключения β. При естественном выключении вентиля (β=0) основная гармоника тока отстаёт от напряжения сети (рис 2.18а). При регулировании выпрямителя за счёт угла выключения β (α=0) основная гармоника тока опережает напряжение. В сети циркулирует реактивная энергия емкостного характера (рис. 2.18б). Одновременное регулирование углов α и β (рис. 2 18в) позволяет получить совпадение по фазе основной гармоники тока и напряжения сети в широком диапазоне изменение среднего значения выпрямленного напряжения.

Схема мостового симметричного выпрямителя на запираемых тиристорах приведена на рис. 2.19а. Для замыкания тока нагрузки при выключенных тиристорах в схеме используется нулевой диод VD₀. При использовании незапираемых тиристоров используются несимметричная мостовая схема с двумя основными тиристорами VS1, VS2 и двумя коммутирующими тиристорами VS3, VS4 (рис. 2.19б). Основные тиристоры включаются в момент, соответствующий углу включения α, а коммутирующие – в момент, соответствующий углу выключения β. Предварительно заряженные конденсаторы, разряжаясь через коммутирующий и основной тиристоры, выключает основной тиристор. Роль нулевого диода выполняют основные диоды моста VD1 и VD2. Эффективным способом повышения коэффициента мощности выпрямителей является формирование тока сети по углу фазового сдвига и форме на основе принципа многократного включения и выключения вентилей в каждом плече схемы выпрямителя в течение одного полупериода напряжения сети. Возможна импульсная модуляция с заданием прямоугольной, синусоидальной или иной формы. Временные диаграммы напряжения и тока импульсного выпрямителя показаны на рис. 2.20.

2.3 Инверторный режим работы управляемого выпрямителя

При отсутствии нулевого диода в симметричных схемах управляемых выпрямителей напряжение на нагрузке при α>0 имеет отрицательный участок, площадь каждого характеризует энергию, отдаваемую индуктивностью в активную нагрузку. В выпрямительном режиме площадь положительного участка напряжения всегда больше площади отрицательного, что указывает на то, что энергия потребляется из сети переменного тока, так как первая гармоника тока вторичной обмотки трансформатора при любом значении угла управления α сдвинута по фазе не более чем на 90º. При α>α_гр ток нагрузки имеет прерывистый характер, т.к к моменту открытия очередного тиристора (или пары тиристоров) индуктивность полностью отдала запасённую в ней энергию. Для двигателей постоянного тока это соответствует двигательному режиму – режим потребления энергии от выпрямителя, т.е. от сети переменного тока.

При работе двигателя постоянного тока в генераторном режиме в индуктивности якоря L_я запасается больше энергии, чем в двигательном режиме, ток в цепи становится непрерывным, площадь отрицательного участка напряжения становится больше, чем положительного, т.к. среднее значение напряжения на нагрузке становится отрицательным при сохранении прежнего направления тока. Такой режим соответствует отрицательной мощности нагрузки, т.е. возврату нагрузкой мощности обратно в источник. Таким образом, происходит преобразование энергии постоянного тока (э.д.с. Е_я двигателя в генераторном режиме) в энергию сети переменного тока. Этот процесс называется инвертированием.

Схема однофазного инвертора аналогична схеме управляемого выпрямителя. Чтобы напряжение на выходе выпрямителя было отрицательным, необходимо чтобы угол управления α был больше 90º. Если в этом режиме нагрузкой является двигатель постоянного тока в генераторном режиме, то в цепи поддерживается ток I₀. При этом двигатель является источником энергии, а питающая сеть – потребителем, создающим противо – э.д.с.

В момент подачи управляющих импульсов на тиристоры VS1, VS3 ток переходит с одной пары тиристоров на другую, при этом на участке от α до π

ток вторичной обмотки трансформатора совпадает по направлению с напряжением, а на участке от π до π+α – ток и напряжение имеют противоположное направление. Тиристоры VS2 и VS4 запираются обратным напряжением от питающей сети. Этим и обусловлен термин «ведомый сетью».

Ток вторичной обмотки имеет форму, близкую к прямоугольной, а основная гармоника тока первичной обмотки сдвинута относительно напряжения на угол φ₍₁₎> . Для запирания выходящих из работы тиристоров под действием напряжения сети необходимо, чтобы α<π. Этот запас в угловом измерении называется углом опережения включения тиристоров:

β=π-α.

При α=π условия для запирания тиристоров не выполняются, эти тиристоры остаются во включенном состоянии и вследствие этого создаётся цепь короткого замыкания. Такое явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. С учётом угла коммутации, обусловленного индуктивностью рассеяния трансформатора, угол β должен быть не менее 10-15 эл. градусов.