3.7 Ёмкостный характер нагрузки

Ёмкостный характер нагрузки имеет место при работе выпрямителя на фильтр, начинающийся с ёмкости, как это показано на рис.3.38.

Постоянная цепи заряда много меньше постоянной цепи разряда, поэтому время заряда (угол) много меньше времени разряда конденсатора фильтра на нагрузку. Имеет место отсечка тока вентиля. При увеличенииR_H замедляется разряд и точка пересечения U₂ и U_C сдвигается, угол уменьшается, пульсации напряжения тоже уменьшаются. При токе

Рисунок 3.38 – Простейший выпрямитель с ёмкостной нагрузкой

нагрузки равном нулю конденсатор не разряжается и U₀=U_m2 . Обратное напряжение на вентиле тоже максимально и равно . Внешняя характеристика нелинейна и выходное сопротивление можно определить только в рабочей точке через приращения (рисунок 3.39).

.

Рисунок 3.39 – Внешняя характеристика выпрямителя с ёмкостной

нагрузкой

Однофазная однотактная схема выпрямления имеет довольно высокие пульсации при низкой частоте основной гармоники и плохо используется трансформатор. Однако, простота однотактных схем делает их более привлекательными перед двухтактными для получения высоких напряжений.

Рассмотрим схему удвоения напряжения. Она приведена на рис. 3.40 и состоит их двух однотактных выпрямителей, каждый из которых использует свою

Рисунок 3.40 – Схема удвоения напряжения (симметричная)

полуволну напряжения сети. Напряжение на нагрузке складывается из напряжений на конденсаторах С₁ и С₂ . Если пульсации малы, то постоянная составляющая на нагрузке

(3.43)

При сложении компенсируются все нечётные гармоники в том числе и первая (р=2). Недостатком схемы является отсутствие общей точки между трансформатором и нагрузкой, что неудобно с точки зрения электробезопасности.

Ещё одна схема удвоения приведена на рис.3.41. Она называется несимметричной и имеет общую точку сети и нагрузки.

Рисунок 3.41 – Несимметричная схема удвоения напряжения

В этой схеме частота первой гармоники пульсаций равна частоте сети. Конденсатор С₁ выполняет функцию промежуточного накопителя энергии, поэтому масса и объём несимметричного удвоителя больше чем у симметричного.

Зато получилась регулярная структура, которую можно наращивать, как показано на рис.3.42.

Рисунок 3.42 – Несимметричная схема удвоения напряжения (а) и

умножитель напряжения на шесть (б)

В умножителе напряжения нагрузку можно подключить и к верхней группе конденсаторов – получим умножитель на пять. Умножители выпускают в виде неразборного блока. Число конденсаторов равно коэффициенту умножения. Выходное сопротивление исчисляется килоомами.

8. Управляемые выпрямители

Управляемым называют выпрямитель, у которого при неизменном входном напряжении можно регулировать выходное напряжение.

Управлять выходным напряжением можно с помощью переключения витков первичной или вторичной обмоток трансформатора, лабораторным автотрансформатором (ЛАТРом) или введением реостата в цепь тока. Первый способ даёт дискретность регулировки, что не всегда приемлемо, второй – из-за наличия скользящих контактов имеет низкую надёжность, а третий ( с помощью реостатов) – низкий КПД. Поэтому используют управляемые вентили, включаемые вместо неуправляемых в схему выпрямления.

В качестве таких вентилей используют тиристоры - четырёхслойные p-n-p-n структуры. На рис.3.43а,б,в приведены соответственно условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора (триака). :

Рисунок 3.43 – Условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора

В обычном состоянии тиристор заперт. В схеме существует два устойчивых состояния: открытое (точка А) и закрытое ( точка В).

Повышение напряжения источника от 0 до Е при Iуэ = 0 приводит к перемещению рабочей точки по нижнему участку характеристики. Если подать импульс тока управления Iуэ достаточный для включения, то р.т. перейдет в точку А и цепь управления перестанет влиять на процессы в анодной цепи тиристора – цепь управления не нужна. Это система с внутренней положительной обратной связью, поэтому тиристоры имеют большой коэффициент усиления по мощности.

Обычно Е всегда меньше напряжения включения «по аноду» (U_amax) на 20…30%. Выключить тиристор можно только путём уменьшения Iа до уровня меньше тока удержания ( Iуд), за счёт увеличения Rн или уменьшения Е.

В открытом состоянии тиристоры пропускают большие токи (сотни ампер), но они инерционны, время включения составляет 0,1…10 мкс, а время выключения 1…100 мкс.

Для надёжной работы тиристора нельзя превышать некоторую критичную скорость нарастания анодного напряжения. В противном случае существует опасность ложного включения через паразитные ёмкости p-n переходов. Обычно скорость нарастания анодного напряжения лежит в пределах dUа/dt =10...500 В/мкс и УЭ тиристора шунтируют резистором величиной от 51Ом до 1.5кОм.

Наряду с рассмотренным тиристором имеется группа четырёхслойных приборов с разнообразными свойствами это динисторы, симисторы и запираемые тиристоры. Они приведены на рис. 3.44.

Рисунок 3.44 – Условное обозначение динистора (а), симистора(б)

и запираемого тиристора (в).

У динистора регламентировано напряжение включения по аноду. Это двухэлектродный прибор. Симистор предназначен для работы в цепях переменного тока при этом сигнал управления можно подавать относительно катода или относительно анода. Все названные выше приборы выключаются только путём уменьшения его анодного тока ниже тока удержания.

Однако имеются и так называемые запираемые тиристоры, т.е. путём подачи тока в цепь УЭ обратного направления тиристор может быть выключен. Но при этом коэффициент усиления по выключению на порядок ниже, чем по включению.

Все названные приборы широко используются в устройствах автоматики и источниках питания в качестве регуляторов, стабилизаторов и устройств защиты.

Обычно тиристор ставят в схему выпрямления вместо неуправляемого вентиля. Возьмём однофазный мост (рис.3.45). На этом рисунке - угол включения тиристора (угол относительно точки естественного включения неуправляемого вентиля).

Рисунок 3.45 – Однофазный управляемый мост

Найдём постоянную составляющую напряжения на нагрузке.

Учитывая, что напряжение U₂ гармоническое , то

(3.44) Если в (3.44) принять , то- напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя; если, то. Зависимостьесть регулировочная характеристика управляемого выпрямителя. Она приведена на рис.3.46 и имеет нелинейный характер.

Рисунок 3.46 – Регулировочная характеристика однофазного

управляемого моста при активной нагрузке

При индуктивной нагрузке, когда ток вентиля имеет прямоугольную форму. На рис.3.47 приведены эпюры для угла включения(рис.3.47а) и

(рис. 3.47б).

Рисунок 3.47 – Эпюры в управляемом выпрямителе с индуктивной нагрузкой

Если угол включения равен нулю , то переход тока с вентиля на вентиль происходит в моменты кратные.

Если , то происходит затягивание тока вентиля из-за ЭДС самоиндукции дросселя цепи нагрузки.

. (3.45)

При этом первая гармоника тока, потребляемого от сети (i₁) сдвигается относительно напряжения на угол включения (). Для исключения затягивания в схему вводят, так называемый, нулевой вентиль, как показано на рис.3.48. В этом случае, приток через управляемые вентили заканчивается в момент времени(ток замыкается через), затягивания тока нет и угол сдвига первой гармоники токаi₁ становится равным .

Рисунок 3.48 – Управляемый выпрямитель с индуктивной

нагрузкой и нулевым вентилем

Коэффициент мощности такой схемы выше, но она содержит много вентилей, получилась сложной, поэтому чаще используют несимметричный выпрямитель (рис.3.49).

Рисунок 3.49 – Несимметричный управляемый выпрямитель

Здесь диоды ииграют роль нулевого вентиля, поэтому; асимметрия может быть любой (неуправляемые вентили могут стоять в анодной или в катодной группе или как на рис.3.49).

Тиристоры используют и в вольтодобавочных схемах, которые по сравнению с рассмотренными, имеют более высокий КПД, поскольку преобразуют только часть энергии для нагрузки. Схема выпрямителя с вольтодобавкой приведена на рис.3.50. Здесь минимальное напряжение на выходе

Рисунок 3.50 – Выпрямитель с вольтодобавкой

обеспечивается неуправляемым выпрямителем VD1 и VD2. Повышение напряжения достигается включением тиристоров VS1 и VS2. В максимальном режиме диоды всегда закрыты и угол включения . Такие схемы имеют хорошие энергетические показатели, но требуются дополнительные обмотки на трансформаторе.