5.4. Управляемые выпрямители

На практике часто требуется стабилизация выходного на­пряжения либо регулирование его в широких пределах. Для необходимого в этих случаях изменения величины выпрямлен­ного напряжения используют ряд технических решений, основ­ными из которых следует считать:

- изменение напряжения на выходе выпрямителя с помощью регулятора переменного напряжения (автотрансформатора, дросселя насыщения, тиристорного регулятора);

- регулирование выпрямленного напряжения с помощью регу­ляторов постоянного напряжения;

- регулирование выпрямленного напряжения за счет приме­нения выпрямителей на управляемых вентилях (управляемых выпрямителей).

Применение управляемых выпрямителей позволяет умень­шить габариты и стоимость преобразователей по сравнению со схемами, использующими автотрансформаторы и дроссели на­сыщения. Наибольшее применение в качестве управляемых вентилей нашли тиристоры.

Однофазный управляемый выпрямитель. Схема однофазного двух полупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.8, а.

Работа управляемого выпрями­теля во многом зависит от характера нагрузки Рассмотрим работу схемы на активную нагрузку (L_H = 0). Использование в схеме выпрямителя управляемых вентилей позволяет задерживать начало прохождения тока через оче­редной, вступающий в работу вентиль по отношению к момен­ту его естественного отпирания. Если на управляющий электрод вентиля V1 в момент t = 0 подать отпирающий импульс, то вентиль V1 включится с некоторой за­держкой. Угол задержки, отсчитываемый от момента естествен­ного включения вентиля, выраженный в электрических граду­сах, называется углом управления и обычно обозначается бук­вой α. В результате в интервале 0 – ωt напряжение на сопротив­лении R_Н будет равно нулю (оба вентиля в закрытом состоя­нии) В момент включения вентиля V1 напряжение на нагрузке cкачком возрастет и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

. В момент перехода напряжения через нуль оно сменит знак, и тиристор выключится. Через отрезок времени, в который угол управления станет равным α, включится второй тиристор, но при снижении напряжения до нуля он выключится. Далее процессы будут повторяться.

Схема трехфазного управляемого выпря­мителя со средней точкой показана на рис. 5.9, а. Кривые выпрямленного напряжения для режима работы схемы на активную нагрузку при двух различных углах управления показаны на рис. 5.9, б,в. Нетрудно заметить, что имеются две характерные области управления.

Рис. 5.8. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (а), токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную (б, в) и активно-индуктивную (г, д) нагрузки

Первая находится в диапазоне углов π/6 > α > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока, а вторая начинается при углах α > π/6, причем в кривой выпрям­ленного тока в этом случае возникают паузы, в течение кото­рых мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю. Среднее выпрямленное напряжение в первой области регулирования

(5.7)

Каждый вентиль работает в этом случае треть периода.

Во второй области регулирования ток через вентиль обры­вается при прохождении мгновенного выпрямленного напряже­ния через нуль. Длительность прохождения тока через вентиль меньше λ и равна 2π/3, так как λ = π – α – π⁄6.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае определяется следующей формулой:

. (5.8)

Как видно из последней формулы, предельным углом управ­ления является угол α =150°.

Рис. 5.9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой (а) и кривые напряжения на элементах схемы (б–д)

Среднее выпрямленное напряжение для режима работы со сглаженным выпрямленным током

(5.9) Предельный угол управления α = 90°. На рис. 5.9, д показа­но изменение напряжения на вентиле для угла управления α = π/3.

Максимальное обратное напряжение на вентиле U_обр =2,45U_21.

Максимальное прямое напряжение на вентиле U_пр.мах =U₂₁ sinα.

Вследствие некоторой специфики работы системы управле­ния вентилями трехфазной управляемой мостовой схемы при работе на активную нагрузку целесообразно рассмотреть ре­жим работы при L_н = 0.

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.10, а.

Рис. 5.10. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель (а), кривые фазного (б) и выпрямленного (в) напряжений при работе на активную нагрузку

На рис. 5.10, б и в изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения схемы для трех значений угла управления α. Сле­дует отметить, что для работы мостовой схемы необходимо по­давать на вентили управляющие импульсы длительностью боль­ше 60° или сдвоенные импульсы.

Причина такого требования становится ясной из рассмотрения принципа работы схемы. В случае использования одиночных импульсов с длительностью меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и ка­тодной группах.

Кроме того, как видно из рис. 5.10, б, при углах управления α > 60° при активной нагрузке в кривой выпрямлен­ного напряжения появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной, вступающий в работу, вентиль подавать повторный управляющий импульс на соответствующий вентиль в противо­положном плече или же использовать импульсы с длительностью больше 60°.

Кривая выпрямленного напряжения (рис. 5.10, в) в диапазоне изменения угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления α > 60° ток нагрузки становится прерывистым.

Для режима I: U_Нα=U₀соs α.

Для режима II: U_Нα = U₀[1+ сos(π/3+ α)] (см. рис. 5.10, в).

Предельным углом регулирования является в этом случае угол α_п=120°.

Наибольший интерес представляет режим работы схемы со сглаженным током (L_Н=∞) [8]. В этом случае ток нагрузки непре­рывен во всём диапазоне управления. На рис. 5.11, а и б показан характер изменения выпрямленного напряжения и токов.

Токи вентилей V1, V2, V3 показаны условно выше нулевой линии, а токи вентилей V4, V5, V6 ниже.

На интервале от t₁ до t₂ включен вентиль V1 (см. рис. 5.13,а). По­тенциал катода вентиля по от­ношению к нулевой точке из­меняется по синусоиде фазного напряжения U_α, причем в на­чале интервала он положите­лен, а в конце отрицателен. В момент t₂ включается вен­тиль V2 и ток переходит на него. В интервале t₂-t₃ ток нагрузки проходит через вен­тиль VЗ. В момент t₃ вступа­ет в работу вентиль V3 и ра­ботает до момента t₄. Сред­нее выпрямленное напряжение для всего диапазона управле­ния U_Hα = U₀cosα. Угол регу­лирования 90°.

Данная схема выпрямления является наиболее распростра­ненной, так как позволяет об­ходиться без трансформато­ра и имеет по сравнению с трехфазной нулевой схемой (см. рис. 5.11, а и б) вдвое большую частоту пульсаций. Недостатками схемы явля­ются большое число управляемых вентилей и сложность систе­мы управления, в частности, из-за необходимости изолировать цепи управления вентилей анодной группы.

На практике находит применение схема выпрямителя с не­симметричным управлением (или «полууправляемая» мосто­вая схема), в которой управление осуществляется только вен­тилями катодной группы, а в анодную группу установлены не­управляемые вентили.

Среднее значение выпрямленного напряжения схемы с не­симметричным управлением

(5.10)

Следовательно, диапазон изменения угла регулирования при несимметричном управлении увеличился до 180°.

Рис. 5.11. Кривые фазного (а) и выпрямленного (б) напряжения

Тиристорные преобразователи (ТП) для двигателей постоянного тока (ДПТ) выпускаются многими фирмами во всех странах. Наиболее совершенны ТП фирмы Siemens, которые выпускаются на ток от 15 до 2000 А, комплектно для цепи якоря и возбуждения [9]. Якорный контур выполняют по управляемой схеме. Если требуется реверсивный ТП, то используют двух- мостовые схемы. Питание ТП производится от трёхфазной сети 0,4; 0,6 кВ. Контур возбуждения выполняют по полу управляемой мостовой схеме питаемой от сети 220/380 В.

При управлении и регулировании также играют роль и вспомогательные функции, выполняемые микропроцессорной системой. Ввод заданий, режимов работы может производиться в цифровом и аналоговом виде.

Панель управления содержит: светодиоды состояния и кнопки ввода параметров, кнопки вверх, вниз, светодиоды готов, работа, сбой. Комфортные панели содержат жидкокристаллический дисплей 4*16. Предусмотрено управление через ПК, подключаемый к преобразователю через интерфейс.

Функции регулирования в якорном контуре. Скорость двигателя задаётся через: аналоговый сигнал U = 0-10В или I = 0-20 mА; встроенный потенциометр; последовательный интерфейс; дополнительный модуль. Контроль скорости идёт через: тахометр ТГ с U = 8/250 В. Возможна работа без тахометра, контролем ЭДС ДПТ. Функциональная схема ТП для питания якорной цепи приведена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Функциональная схема ТП для ДПТ

Функции регулирования в контуре возбуждения. Регулятор ТП сравнивает текущие значения U и ЭДС. двигателя и вырабатывает задание для регулирования тока возбуждения.

В схеме ТП приведенной на рис. 5.12 управление напряжением на двигателе осуществляет микропроцессор МК в соответствии с заданием, программой и сигналами ОС по току, скорости и ЭДС двигателя. Микропроцессорный контроллер управляет тиристорным выпрямителем UZ, выполненным по схеме Ларионова; пульсации напряжения фильтруются LC фильтром.