3577

На основании выражения (1.90) можно определить среднее значение выпрямленного напряжения с учетом коммутации

Уравнение (1.102) описывает внешнюю характеристику неуправляемого выпрямителя Ud f (Id ) (рис.1.17)

Рис. 1.17. Внешняя характеристика однофазного выпрямителя

Рис.1.18.Временные диаграммы, иллюстрирующие уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения

с ростом тока нагрузки

Уменьшение напряжения на нагрузке Ud с ростом тока Id объясняется увеличением коммутационного падения напряжения Udx вследствие возрастания угла коммутации , который определяется из выражения (1.101).Указанное поясняется временными диаграммами рис.1.18, где показаны кривые напряжения Ud, тока i2k и его составляющих, а также токов вентилей при двух значениях тока нагрузки Id>Id. Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к фазовому сдвигу потребляемого тока относительно напряжения питания.

Фазовый сдвиг первой гармоники тока увеличивается примерно

на угол (1) 2 .

С учетом угла коммутации к вентилю прикладывается скачек обратного напряжения, равный 22E2 sin t .

б) Коммутационные процессы в однофазном мостовом выпрямителе

Эти процессы подобны процессам в однофазной нулевой схеме. Особенность заключается в том, что на этапе коммутации в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре вентиля (рис.1.19).

Рис. 1.19. Контур коммутации однофазного мостового выпрямителя

На схеме показан контур коммутации при включении в работу вентилей VD1 и VD2 и запирании вентилей VD3 и VD4.

Ток коммутаций i2k в мостовой схеме обуславливается напряжением E2 и реактивным сопротивлением Ха. Для тока i2k и его свободной и принужденной составляющих действительны соотношения (1.92)-(1.98), полученные для схемы с нулевой точкой. Отличие связано с тем, что в мостовой схеме непосредственно в коммутации каждого вентиля участвуют составляющие коммутационного тока i2k1 и i2k 2 . При равенстве этих

токов процесс коммутации (переход тока с одной пары вентилей на другую) заканчивается при i2k1 Id . При этом токуik будет соответствовать значение 2Id.На основании указанного правую часть выражения (1.100) необходимо умножить на 2

(1.103)

В мостовой схеме увеличение вдвое тригонометрической функции(1.100) компенсируется уменьшением в тоже число раз значения Ха. В результате при одной и той же мощности выпрямителя внешние характеристики однофазных двухполупериодных схем получаются одинаковыми.

Первая гармоника тока i1(1) в мостовой схеме также сдвинута в сто-

в) Трехфазные выпрямители с нулевым выводом

В трехфазных схемах с нулевым выводом свободные концы вторичных обмоток связаны, как и в двухфазной схеме, с анодами вентилей и ток через вторичные обмотки проходит только в одном направлении. В общей точке катодов анодные токи суммируются, образуя выпрямленный ток id . В период одиночной работы выпрямленный ток проходит через один из вентилей, а в период коммутации – через два вентиля. Когда Хd в цепи нагрузки бесконечно велико и id Id const , изменение анодных токов происходит в короткозамкнутом внутреннем контуре между двумя фазами (рис.1.20,а).

Через вентиль, вступающий в работу (вентиль VD2), ток походит в проводящем (прямом) направлении, а в вентиле, заканчивающим свою работу (вентиль VD1), ток проходит в непроводящем (обратном) направлении, уменьшая там самым анодный ток в этом вентиле (VD1).

Рис. 1.20. Выпрямление трехфазного тока с нулевым выводом

Разность фазовых напряжений, создающая принужденную составляющую тока i2' k равна

Примечание. В случае, когда вторичных обмоток три sin 3 23 , линейное напряжение

Сопротивление в контуре коммутации равно двойному значению анодного сопротивления Ха. Поэтому принужденную составляющую тока

i2"k можно определить по аналогии с однофазной нулевой схемой по уравнению

Полный ток в короткозамкнутом контуре

1.20, г. Отрицательный максимум ее совпадает с началом коммутации тока. Величина коммутации тока может быть найдена графически по точке пересечения прямой, проведенной, как показано на рис. 1.20, г., выше касательной к отрицательному максимуму косинусоиды на величину, равную Id . Току ia 2 , равному в период коммутации i2k , соответствует участок косинусоиды, заключенный между касательной к ней и прямой Id

. По этому участку и построен начальный участок тока ia2 ia1 в вентиле VD2 в первый период коммутации. Во внекоммутационный период анодный ток ia 2 и равный ему выпрямленный ток остаются при Xd = неизменным и равным среднему значению тока Id

ia2 Id .

В период коммутации ток в заканчивающем свою работу вентиле равен

2E2 sin m

Мгновенное значение выпрямленного напряжения в период коммутации равно полусумме фазных напряжений (рис 1.20, в), поскольку напряжения коммутирующих фаз становятся одинаковыми в силу общих потенциалов у начала и конца обмоток (у фазы вступающих в работу, напряжение снижается на столько же, насколько оно понижается в фазе, заканчивающей свою работу)

По окончании коммутации выпрямленное напряжение повышается скачком, а далее во внекоммутационный период следует за изменением фазового напряжения.

Падение выпрямленного напряжения в период коммутации, характеризуемое ординатами заштрихованных на рис. 1.20,в площадок, дает полуразность фазовых напряжений

такую вероятность оказывает начальное значение обратного тока Ib0 , находящегося в прямой зависимости от скорости спада анодного тока didt перед включением вентиля. В связи с этим становится особо важно знать ход изменения тока в период коммутации. Производную анодного тока дает дифференцирование уравнения (1.107)

Величина E2 повышает значение производной в момент, предшествующей включению вентиля, а величина Xa уменьшает производную тока

dia dt .

Поэтому в тех случаях, когда dia dt по расчетам превышает допустимые (предельные значения) скорости изменения анодного тока вентилей, необходимо устанавливать дополнительно реактор в цепи первичного напряжения согласующего трансформатора.

2)Трехфазная мостовая схема

Втрехфазной мостовой схеме во вне коммутационный период, когда ток id пропускают последовательно один из вентилей VD1 в пределах ка-

тодной группы VD1; VD3; VD5 и один из вентилей VD2 в пределах анодной группы VD2; VD4; VD6 соответствует интервалу времени, отмеченному на рис. 1.21, б. моментами t0 и t1 . В эту часть периода фаза а, связана с вентилем VD1, имеет наибольшее положительное напряжение , а фаза с, связана с вентилем VD2 – наибольшее отрицательное напряжение. В период времени, определяемый моментами t и t2 , ток переходит из вентиля VD1 к вентилю VD3, входящему в катодную группу. В следующий период коммутации ток переходит от вентиля VD2 к вентилю VD4 и т.д. В связи с тем, что коммутация тока в пределах каждой из групп происходит независимо друг от друга, влияние анодных сопротивлений сказывается здесь, так же как и в схемах с нулевым выводом.

Действительно, как видно из рис. 1.21, а, при переходе тока с вентиля VD1 на вентиль VD3 возникает такой же замкнутый контур, обозначенный на схеме пунктирной линией, как в схемах с нулевым выводом. Поэтому, воспользовавшись выражениями (1.109) и (1.110) для трехфазной нулевой схемы, при подстановке m =3 получаем выражение для определения длительности коммутации

где E2 - действующее значение фазного напряжения.

Примечание [АЗА1]: Примечание [АЗА2]:

Рис. 1.21. Трехфазная мостовая схема

Аналогично на базе выражения (1.114), подставив m =6, определяем среднее падение напряжения в мостовой схеме

Уравнение внешней характеристики для мостовой схемы

Ud Udo 3 Id Xa .

Таким образом, проявление индуктивности в анодной цепи выпрямителя приводит к потере напряжения на участке коммутации, когда ток переходит с одного вентиля на другой в двухпериодных и многофазных схемах выпрямления. Для выпрямителей средней и большой мощности эти потери напряжения необходимо учитывать при проектировании преобразователей переменного тока в постоянный.

2.УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Вбольшинстве случаев при применении выпрямителей средней и большой мощности приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения Ud.

Регулирование выходного напряжения выпрямителей может осуществляться трансформаторами с отпайками на вторичной стороне напря-

жения U 2 , которому пропорционально напряжение Ud или включением в

первичную или вторичную обмотки трансформатора балластных сопротивлений (дроссели).

Значительно более широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя. Этот способ базируется на использовании управляемых вентилейтиристоров или мощных транзисторов, в связи с чем выпрямитель называют управляемым.

Использование фазового способа регулирования выходного напряжения в системах выпрямления положило свой отпечаток на ход электромагнитных процессов в таких системах. В первую очередь это сказалось: 1) на форме кривых напряжений и токов в цепях нагрузки и питающей сети; 2) на режиме работы вентиля в проводящую и непроводящую часть периода; 3) на характеристики выпрямителя, ставшие зависимыми от режима управления, но больше всего регулирование отразилось на балансе активной и реактивной мощностей и мощности искажения в цепи переменного тока.

Кроме внешней характеристики, в выпрямителях практический интерес представляет так же регулировочная характеристика, определяющая зависимость выходного напряжения от угла управления.

2.1. Однофазный управляемый выпрямитель

Принципиальная схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 2.1. Временные диаграммы при чисто активной нагрузке приведены на рис.2,б. Активно-индуктивной нагрузке отвечает диаграмма анодного (вторичного) тока на рис. 2.1, в. Она строится так же как и для неуправляемого выпрямителя (рис.2.1, б и в) по двум ее составляющим:1)составляющей вынужденного режима i'a и 2)

составляющей свободного режима i' 'a .