2.2. Выпрямители

Выпрямители являются одним из видов вентильных преобразователей тока; они преобразуют переменный ток в постоянный и являются наиболее распространенным видом преобразователей частоты. Выпрямители используются для питания самых разнообразных электротехнических устройств. Они служат промежуточным звеном в преобразователях одной частоты в другую, предназначены для непосредственного питания ЭТУ постоянным током, а также для питания вспомогательных устройств. Из конкретных типов ЭТУ, питающихся непосредственно постоянным током, следует указать установки плазменного и электронно-лучевого нагрева, вакуумные дуговые печи.

2.2.1. Классификация выпрямителей и основные расчетные параметры схем выпрямления

Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис.45.3. Силовой трансформатор 1 служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Трансформатор одновременно электрически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. Блок вентилей 2 осуществляет функцию выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр 3 является звеном, уменьшающим пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки 4. В случае управляемого выпрямителя в структуру схемы входит еще блок 5, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования (САР). Для защиты самого выпрямителя от повреждения в аварийных режимах его схема содержит систему защиты и сигнализации 6 (СЗС).

Рис.45.3. Структурная схема выпрямителя

В некоторых случаях отдельные описанные выше звенья в схеме выпрямителя могут отсутствовать.

Полупроводниковые выпрямители могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

- по выходной мощности: установки малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой мощности. Подобное разделение в количественном отношении носит, конечно, условный характер;

- по числу фаз источника питания: выпрямители однофазного тока; выпрямители трехфазного тока;

- по возможностям регулирования: неуправляемые выпрямители; управляемые выпрямители.

Выпрямители однофазного и трехфазного тока в зависимости от схемы включения вентилей и схемы соединения обмоток трансформатора в свою очередь подразделяются на различные типы (схемы со средней точкой, мостовые и т. д.).

Иногда выпрямители классифицируют и по ряду других признаков: по напряжению (низкого, среднего и высокого напряжений); по частоте выпрямляемого тока.

Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора схемы выпрямления, типа применяемых вентилей и метода расчета параметров элементов схемы.

Полупроводниковые выпрямители однофазного тока обычно выполняются по схеме со средней точкой (рис.45.4, а) и по мостовой схеме (рис.45.4, б). Основная область применения этих схем – установки малой и средней мощности. Иногда однофазная мостовая схема используется и в установках большой мощности, например в электрифицированном транспорте.

В большинстве случаев выпрямители средней и большой мощности питаются от сети трехфазного тока. При трехфазном питании в зависимости от схемы включения вентилей и схемы соединения обмоток трансформатора можно получить трех-, шести- или двенадцатифазное выпрямление (фазность выпрямления в данном случае определяется по частоте пульсаций в кривой выпрямленного напряжения).

Из большого числа известных схем выпрямления трехфазного тока практически применяются следующие схемы:

а) трехфазная схема со средней точкой;

б) шестифазная схема с уравнительным реактором;

в) трехфазная мостовая схема.

а б в

г д

е ж

Рис.45.4. Принципиальные схемы выпрямителей

Трехфазная схема со средней точкой (рис.45.4, в) иногда используется в установках средней мощности. Эта схема является также составным элементом других, более сложных схем (например, шестифазной схемы с уравнительным реактором). Шестифазная схема с уравнительным реактором (рис.45.4, г) и трехфазная мостовая схема (рис.45.4, д) применяются в установках средней и большой мощности. Эти схемы обеспечивают шестифазное выпрямление, отличаются высокими технико-экономическими показателями.

Выпрямление с двенадцатикратной пульсацией выходного напряжения может быть получено путем последовательного или параллельного соединения схем, изображенных на рис.45.4, г, д. Такие комбинированные схемы (рис.45.4, е и ж), сохраняя достоинства схем, из которых они компонуются, позволяют существенно улучшить форму кривой тока, потребляемого из питающей сети, и уменьшить пульсации в кривой выпрямленного напряжения.

При проектировании и разработке выпрямителей необходимо произвести расчет схемы выпрямления с целью выявления условий работы ее основных элементов и определения их параметров. Основными исходными данными для расчета выпрямителя являются выпрямленное напряжение U_d и ток I_d (средние значения), а также действующее значение напряжения питающей сети. В процессе расчета подлежат определению:

а. Параметры, характеризующие условия работы вентилей.

1. Средний I_vср и действующий I_v токи через вентиль при номинальной нагрузке и возможных перегрузках.

2. Максимальное обратное напряжение на вентиле U _vm.

3. Максимальное прямое напряжение на вентиле U_пр..м (в случае применения тиристоров).

б. Определяющие параметры трансформатора.

1. Действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора U _2ф и I₂-

2. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора I₁.

3. Полная мощность каждой из обмоток (S₁; S₂) и полная расчетная (типовая) мощность трансформатора S_Т.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

• средние значения выпрямленного напряжения и тока U_d, I_d;

• коэффициент полезного действия η;

• коэффициент мощности ;

• внешняя характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки U_d = f (I_d);

• регулировочная характеристика – зависимость выпрямленного напряжения от угла регулирования U_d = f (α);

• коэффициент искажения – отношение действующего значения тока основной гармоники к действующему значению полного тока первичной обмотки трансформатора К_и = ν = I₁₍₁₎/I;

• коэффициент пульсаций – отношение действующего значения гармонических составляющих выпрямленного напряжения (тока) к среднему значению выпрямленного напряжения (тока)

;

– коэффициент гармоник, равный отношению действующего значения высших гармоник к действующему значению основной гармоники тока. При отсутствии постоянной составляющей

.

Основные расчетные соотношения схем выпрямления приведены в табл. 45.1.