2.1.3 Коммутация в выпрямителях

Процесс перехода тока от одной ветви схемы к другой, в результате чего меняется контур электрического тока, называется коммутацией. Если не учитывать влияние индуктивности рассеивания, переключение тока происходит мгновенно. Наличие индуктивности рассеивания задерживает выключение диода, выходящего из цепи тока, и обуславливает появление интервала коммутации, который называется углом коммутации (рис.2.7). На интервале коммутации одновременно проводят ток диоды, аноды или катоды которых объединены в общую точку, а другие выводы связаны с разными фазами трансформатора. Коммутация сопровождается внутренним междуфазным коротким замыканием. Возникающий ток короткого замыкания вычитается из тока диода, выходящего из работы, и прибавляется к току диода, вступающего в работу.

Угол коммутации для шестипульсовой схемы определяется по формуле:

;

Процесс влияет на формы кривых выпрямленного напряжения и тока. На интервале коммутации потенциал точки «+» определяется полусуммой напряжений фаз, участвующих в коммутации: . На интервале угла коммутации происходит уменьшение выпрямленного напряжения на величину (для мостовых схем):

Коммутации выпрямителя обуславливает формирование нагрузочной характеристики с наклоном, пропорциональным току нагрузки и индуктивности рассеивания .

2.2 Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители позволяют плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения. Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного коммутационного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока или при рабочем токе снятием управляющих импульсов. Для реализации этих функций в схемах управляемых выпрямителей используются управляемые полупроводниковые приборы: тиристоры, мощные транзисторы в ключевом режиме. Регулирование напряжения осуществляется изменением угла управления , задающего момент включения тиристоров относительно точки естественной коммутации (нулевой фазы напряжения сети).

Полностью управляемые выпрямители, как трёхфазные, так и однофазные, могут быть переведены в режим ведомого сетевого инвертора для возврата в сеть энергии от потребителя (случай рекуперативного торможения). Такие обращаемые преобразователи называются выпрямительно-инверторными преобразователями.

2.2.1 Однофазные управляемые выпрямители

Нулевая однофазная схема управляемого выпрямителя приведена на рисунке 2.8а. В качестве вентилей в схеме используются тиристоры, которые управляются импульсами прямоугольной формы, параметры которых определяются схемой управления ( СУ).

Принцип регулирования напряжения на нагрузке поясняется на примере выпрямителя, работающего на активную нагрузку. Временные диаграммы напряжений и токов показаны на рис. 2.8б.

До момента подачи управляющего импульса тиристор VS1 находится в закрытом состоянии, ток нагрузки равен нулю. В момент подачи управляющего импульса тиристор открывается и процессы протекают как в обычном неуправляемом выпрямителе. Когда ток нагрузки станет меньше I_выкл, тиристор выключается. В следующий полупериод аналогично работает тиристор VS2. среднее значение напряжения на нагрузке зависит от момента включения тиристора – угла включения :

,

где - напряжение на нагрузке при .

На рис. 2.9 показана регулировочная характеристика управляемого выпрямителя U_0α = f( ).

В нулевой схеме максимальное обратное напряжение, действующее на закрытый тиристор, равно 2E_2m, в соответствии с этим напряжением и выбирается тиристор:

При активно-индуктивной нагрузке процессы в выпрямителе отличаются от выше рассмотренных. При достаточно большой индуктивности ( )

ток в цепи практически постоянный, т.е. ток тиристоров имеет форму прямоугольных импульсов (рис 2.10), поэтому при wt = π, когда напряжение U₂=0, тиристор не выключается, ток в цепи не меняет своего направления и поддерживается за счёт запасённой в индуктивности L_н энергии. Напряжение U₁₀ на нагрузке повторяет напряжение на вторичной обмотке трансформатора и поэтому при wt > π изменяет полярность, т.е в форме напряжения появляется отрицательный участок. В момент wt = π+α включается второй тиристор и напряжение на нагрузке становится положительным. Среднее значение напряжения на нагрузке в этом случае равно:

Однако это выражение справедливо лишь в том случае, когда к моменту открытия второго тиристора ток в нагрузке поддерживается за счёт энергии индуктивности L_н, т.е. i_н>0. В этом случае ток нагрузки имеет непрерывный характер (режим непрерывных токов). При определённом значении угла включения α_гр индуктивность полностью отдаёт запасённую в ней энергию, ток нагрузки уменьшается до нуля, и при α> α_гр наступает режим прерывистых токов нагрузки, когда выше полученное выражение регулировочной характеристики не соответствует действительности. Значение α_гр определяется из условия:

.

Режим работы и регулировочная характеристика симметричного мостового выпрямителя такие же, как и нулевой схемы. Отличие заключается в форме кривой обратного напряжения на тиристорах, которая в мостовой схеме определяется напряжением U₂, т.е. U_{обр.мах}=Е_2m.

Наличие отрицательного участка в напряжении U_н(t) уменьшает среднее значение выпрямленного напряжения U₀_ и увеличивает пульсации напряжения.

Эти недостатки устраняются в схеме с нулевым (или обратным) диодом (рис 2.11). При переходе напряжения вторичной обмотки через ноль на катод открытого тиристора подаётся положительный потенциал относительно анода, и тиристор закрывается, а ток нагрузки переводится в цепь диода VD₀. Из-за шунтирования диодом выходной цепи выпрямителя в форме выходного напряжения создаются нулевые паузы на интервале от кπ до (кπ+α). Форма напряжения на активно-индуктивной нагрузке такая же как и при активной нагрузке, поэтому выражение регулировочной характеристики

справедливо как в режиме непрерывных, так и в режиме прерывистых токов.

Коэффициент пульсаций напряжения на активно-индуктивной нагрузке определяется по следующей формуле:

.

За счёт индуктивности L_н ток нагрузки сглаживается фильтром L_нR_н, имеющего коэффициент фильтрации

.

где р – кратность частоты основной гармоники частоте напряжения сети.

Коэффициент пульсаций тока нагрузки равен:

. Среднее значение тока тиристора равно:

;

тока нулевого диода:

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора равно

.

В режиме непрерывных токов токи обмоток трансформатора имеют форму прямоугольных импульсов, сдвинутых относительно напряжения сети на угол α. Соответственно, первая гармоника тока первичной обмотки для схем без нулевого диода отстаёт от напряжения на угол α, а для схем с нулевым диодом – на угол .

В несимметричной мостовой схеме с катодной группой тиристоров

(рис 2.18а) два тиристора заменены двумя диодами. Эта замена позволяет устранить отрицательные участки напряжения на нагрузке без нулевого диода, т.к. роль нулевого диода после изменения полярности напряжения вторичной обмотки трансформатора выполняют ранее проводящий ток тиристор и подключенный к его аноду диод. При этом напряжение на нагрузке L_нR_н практически равно нулю (рис 2.13б), а токи диодов и тиристоров сдвинуты друг относительно друга на угол α. Диоды и тиристоры проводят ток в течение половины периода, поэтому

.

Форма тока обмоток трансформатора такая же как и в схеме с нулевым диодом.

В несимметричной мостовой схеме с последовательно включёнными тиристорами (рис 2.13а) роль нулевого диода выполняют два последовательно включенных диода (по отношению к нагрузке они включены параллельно), поэтому проводящий ток тиристор выключается при переходе вторичного напряжения через ноль, а включается при подаче управляющего импульса. Поэтому длительность тока тиристора в угловой мере равна , а длительность тока диода - (рис 2.13б). Следствием этого является неодинаковое значение средних токов диода тиристора:

;

.

По остальным параметрам схема идентична выше рассмотренным.

В однофазных управляемых выпрямителях переход тока с одного вентиля на другой происходит два раза за полпериода напряжения сети: при переходе напряжения через ноль и при включении тиристора. В первом случае коммутационные процессы не оказывают никакого влияния на работу выпрямителя, а во втором коммутация сопровождается внутренним коротким замыканием вторичной обмотки трансформатора и потерями среднего значения напряжения на нагрузке, которые определяются так:

;

Регулировочная характеристика выпрямителя с учётом коммутационных процессов имеет вид: