Управляемые выпрямители

В большинстве случаев применения выпрямителей приходится решать задачу регулирования напряжением на нагрузке выпрямителя при помощи управляемых вентилей (УВ) – тиристоров. Структурная схема УВ (рис. 4.6, а) отличается от структурной схемы неуправляемого выпрямителя тем, что блок неуправляемых вентилей заменен на регулируемый вентильный блок РВБ и введена система управления (СУ), синхронизируемая напряжением сети.

Регулирование выпрямленного напряжения U_0,a при помощи тиристоров основано на сдвиге момента включения управляемого вентиля по сравнению с началом работы неуправляемого вентиля (рис. 4.6, в). Соответствующий этому сдвигу угол называют углом включения a. Очевидно, что a можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения u₁, т. е. 0 ≤ α ≤ p. При этом если тиристор включается при a = 180°, то напряжение U_0,a = 0. Такой способ регулирования называется фазоимпульсным.

Способность УВ изменять выпрямленное напряжение оценивают по его регулировочной характеристике, представляющей собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U_0,α от угла включения.

а

б

в

Рис. 4.6. Структурная схема выпрямителя (а), схема простейшего УВ (б) и графики напряжений на его входе и выходе (в) при резисторной нагрузке без фильтра; U_уи – управляющие импульсы для тиристоров РВБ

Для общности результатов регулировочную характеристику U_0,α = f(α) часто представляют в нормированном виде [5]:

, (4.26)

где – напряжение при угле включения, равном нулю (m₂ ³ 2).

Вид регулировочной характеристики зависит от ряда факторов: схемы выпрямителя, типа фильтра, характера загрузки и т. д. УВ строятся по тем же принципам, что неуправляемые выпрямители. В двухтактных УВ все вентили могут быть управляемыми (симметричная схема, рис. 4.7, в, д). С целью упрощения СУ и удешевления УВ можно применить несимметричные схемы (рис. 4.7, г), в которых одна группа вентилей (анодная или катодная) заменена на диоды. В УВ с индуктивной нагрузкой для улучшения энергетических характеристик вводится нулевой (ответвляющий) диод VD₀ (рис. 4.7, б, д).

в

г

а

б

При построении управляемых выпрямителей однофазного и трехфазного тока преимущественное применение получили соответственно однофазная (рис. 4.7, в) и трехфазная (рис. 4.7, д) мостовые схемы. Трёхфазная двухтактная (мостовая) схема выпрямления (неуправляемая или управляемая) может быть представлена последовательным соединением двух однотактных схем, питаемых от одной группы вентильных обмоток трансформатора (рис. 4.8, а). Как и в однотактном УВ, возможны режимы непрерывного и прерывистого тока (рис. 4.8, б, в), причём критический угол включения

д

(4.27)

Уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для схемы (рис. 4.8, а)

при 0 £a £ a_кр. и приa > a_кр. (4.28)

Частота пульсаций f_п(1) основной гармоники выпрямленного напряжения, как и в неуправляемом выпрямителе, равна m₂pf₁ = 6f₁ (рис. 4.8, в). Зависимость (рис. 4.8, г) коэффициента пульсаций К_п(1) от угла регулирования α свидетельствует о быстром росте К_п(1) с увеличением a. Для однофазной двухтактной схемы УВ уравнение регулировочной характеристики

при α_кр = 0. (4.29)

При индуктивной реакции нагрузки (pm₂wL₀ >> R₀) регулировочная характеристика в нормированной форме для симметричных двухтактных выпрямителей описывается уравнением .

Для УВ средней и большой мощности характерен режим, когда потребляемый ими ток i₁ несинусоидален, а его первая (основная) гармоника i_1,1 смещена относительно фазного напряжения сети u₁ на угол j:

j = (a + 0,5g) (4.30)

Это приводит к наличию в УВ помимо активной (полезной) мощности

Р_С = m₁·U₁·I_1,1·cosφ (4.31)

еще и реактивной мощности

Q_С = m₁·U₁·I_1,1·sinj, (4.32)

а также так называемой мощности искажений

, (4.33)

создаваемой высшими гармоническими составляющими тока i₁. Их удельный вес характеризуют коэффициентом искажения тока(см. формулу 4.1).

Рис. 4.8. Эквивалентная схема трехфазного двухтактного симметричного УВ (а); графики напряжений и(б); график выпрямленного напряжения (в) для углов регулиро­вания ,,

а

в

б

Полная (вольт-амперная) мощность УВ:

. (4.34)

Из трёх составляющих этой мощности лишь активная мощность является полезной. Поэтому отношение Р_С/S_C характеризует УВ как сетевую нагрузку и называется коэффициентом мощности К_М. Воспользовавшись уравнениями (4.31), (4.34), (4.1), получим уравнение

К_М = k_И · cosj, (4.35)

где k_И – коэффициент искажений тока i₁; cosj – коэффициент фазового сдвига тока i₁ относительно напряжения U₁. Низкие значения К_М из-за сильно искаженной формы тока i₁ либо вследствие большого зна­чения угла регулирования a требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, роста сечения проводов и повышения прочности.