Курсовая / MU_po_LR_SE

3. Управляемые выпрямители тока

Режимы работы выпрямителей В зависимости от вида выпрям-ленного тока существует три режима. Обозначим угол проводимости венти-лей — .

Режим работы, при котором токи вентилей следуют друг за другом без пауз, но выпрямленный ток спадает до нуля, называется граничным (рис. 13 а). В граничном режиме угол проводимости вентилей

Режим работы, при котором токи вентилей следуют друг за другом с паузой, называется прерывистым (рис. 13 б). В прерывистом режиме угол проводимости

вентилей

Рисунок 13 – Режимы работы управляемых выпрямителей:

граничный (а), прерывистый (б) и непрерывный (в)

Режим работы, при котором выпрямленный ток не спадает до нуля, а анодные токи соседних вентилей перекрываются или следуют без пауз, называется непрерывным (рис. 13 в). В непрерывном режиме угол проводимости

вентилей

Режим работы существенно влияет на все характеристики выпрямителя.

21

4. Регулировочные характеристики идеального управляемого выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке

Во всех описанных схемах выпрямления вместо диодов могут быть включены тиристоры. При этом выпрямители становятся управляемыми.

Управляемые выпрямители позволяют не только выпрямлять напряжение, но и изменять его величину.

Регулировочная характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от угла управления : Ud = f ().

На рис. 14 а приведена схема управляемого выпрямителя, выполненного по трехфазной нулевой схеме. Временные диаграммы токов и напряжений при приведены на рис. 14 б. При построении приняты допущения, что вентили и трансформатор идеальны. Рассмотрим процессы, происходящие в этой схеме. Всегда проводит тот вентиль, анод которого самый положительный и на управляющий электрод которого подан управляющий импульс.

Угол управления измеряется от точки естественной коммутации (в которой начал бы проводить вентиль в неуправляемом выпрямителе) до момента подачи управляющего импульса и включения тиристора.

В момент rot, (см. рис. 14) включается 1-й вентиль, так как потенциал анода его самый положительный и на его управляющий электрод подан импульс. Этот момент задержан на угол a по отношению к моменту, когда бы вентиль включился в неуправляемом выпрямителе. Ток в цепи нагрузки непрерывен () и постоянен. В момент t2 напряжение е2а достигает 0, но ток продолжает проходить за счет энергии, запасенной в индуктивности, а выпрямленное напряжение становится отрицательным. На участке проводимости t1, - wt3 напряжение на вентиле равно 0, а далее оно определяется ординатами, заключенными между кривыми e2a (тонкая линия) и ud (жирная линия). При этом потенциал катода принимается за нуль. В момент t4 напряжение на вентиле меняет знак и становится положительным.

Для изменения выпрямленного напряжения нужно изменять угол управления. Диаграмма рис. 14 б иллюстрирует работу выпрямителя в непрерывном режиме. В соответствии с диаграммой идеальное значение выпрямленного напряжения при угле управления α.

После преобразования

Выражение является уравнением регулировочной характеристики выпрямителя в непрерывном режиме. Его часто записывают в относительных единицах (= f (a)), принимая за базу напряжение :

22

Рисунок 14 – Управляемый выпрямитель по трехфазной нулевой схеме (а) и диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие его работу при

Ld = ,= 0 (б) и Ld = 0, = 0 (в)

23

На рис. 15 представлены регулировочные характеристики в относительных единицах для различных схем выпрямления. За базовое принято выпрямленное напряжение неуправляемого выпрямителя Ud0. Таким образом, вид регулировочной характеристики зависит от режима.

Внепрерывном режиме

регулировочная характеристика идеального выпрямителя не зависит от вида нагрузки.

В прерывистом режиме регулировочная характеристика зависит от схемы (пульсности) и величины индуктивности.

С ростом индуктивности нагрузки замедляется спад анодных токов, и, поэтому растет граничный угол. Одновременно из-за появления отрицательных участков выпрямленного напряжения уменьшается угол управления, при котором среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю.

Таким образом, диапазон изменения угла управления, необходимый для полного регулирования выпрямленного напряжения определяется регулировочной характеристикой выпрямителя.

Следует отметить, что рассмотренные регулировочные характеристики справедливы только для идеального выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке.

5. Непрерывный режим

Влияние анодных индуктивностей на коммутацию тока Для анализа процессов в реальном выпрямителе необходимо учесть

параметры трансформатора. Выпрямленное напряжение изменяется из-за наличия внутреннего сопротивления выпрямителя, вызванного неидеальностью вентилей и трансформатора, и особенностей перехода тока с одного вентиля на другой.

Рассмотрение проведем на примере трехфазной нулевой схемы (см. рисунок 70 а).

Схема замещения однофазного трансформатора, приведенная к вторичной стороне (к стороне вентилей) при пренебрежении током холостого хода и потерями в контуре намагничивания. В мощных трансформаторах анодное индуктивное сопротивление (индуктивное сопротивление рассеяния, приведенное к вторичной стороне) значительно

24

больше, чем анодное активное сопротивление (активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное к вторичной стороне). Поэтому при рассмотрении процессов в мощных трансформаторах активным сопротивлением можно пренебречь.

На рис. 16 а представлена схема замещения, полученная из схемы рис. 16 а, при приведении трехфазного трансформатора большой мощности к стороне вентилей с учетом приведенных допущений. Так как индуктивность Ld в цепи нагрузки принята бесконечной, то ток в этой цепи не может измениться и эту цепь можно заменить источником тока.

На рис. 16 б приведены временные диаграммы, учитывающие невозможность мгновенного изменения тока через вентиль из-за наличия в цепи каждого вентиля индуктивностей (см. рис. 16 а). Коммутация - это переход тока с одного вентиля на другой. В выпрямителе он происходит под действием напряжения сети (естественная коммутация). Угол коммутации - это угол, в течение которого вентили, участвующие в коммутации, одновременно проводят ток.

Рисунок 16 – Схема замещения управляемого выпрямителя, выполненного по трехфазной схеме с нулевым выводом, при допущении Ld = , 0 , диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие его

работу

25

Коммутация в вентилях осуществляется под действием линейной ЭДС(см. рис. 16). Поскольку ток в нагрузке неизменен, цепь нагрузки в переходном процессе не участвует. Поэтому на рис. 17 приведена схема замещения контура коммутации. Эта схема замещения справедлива до момента, когда ток во включающемся вентиле достигнет величины тока нагрузки, а в выключающемся достигнет нуля. На этом участке переходный процесс описывается дифференциальным уравнением

где — амплитуда линейной ЭДС; — ток во включающемся вентиле. Решение дифференциального уравнения

состоит из — вынужденной составляющей и — свободной составляющей. Вынужденная составляющая равна установившемуся значению тока

Рисунок 17 – Схема замещения цепи коммутации

Формула определяет закон нарастания тока во включающемся вентиле на участке коммутации. Коммутация заканчивается при = Id в момент t = .

— угол коммутации, в течение которого ток переходит с одного вентиля на другой. Он может быть определен из уравнения

Впериод коммутации мгновенное значение выпрямленного

напряжения падает и находится посредине между фазными ЭДС

26

Мгновенное значение коммутационного падения напряжения

=

Среднее значение коммутационного падения напряжения После подстановки получим

В фазных напряжениях в моменты коммутаций также появляются провалы и выбросы. На рис. 18 представлены временные диаграммы напряжений и токов в трехфазной мостовой схеме. На диаграммах видны провалы и выбросы в фазных и линейных вторичных напряжениях при синусоидальных первичных напряжениях.

27

Рисунок 18 - Диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие работу управляемого выпрямителя, выполненного по трехфазной мостовой схеме

28

6. Внешние характеристики в непрерывном режиме

Внешняя характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при постоянном угле управления.

Для мощных выпрямителей уравнение внешней характеристики:

Внешние характеристики, построенные по уравнению приведены на рисунке 73. Для выпрямителей средней мощности с учетом падения напряжения на активных сопротивлениях, коммутационного падения и падения на вентилях уравнение внешней характеристики

где U0 - пороговое напряжение; — дифференциальное сопротивление тиристора. Коэффициент а учитывает через сколько вентилей и сколько обмоток схемы проходит ток. Например, в трехфазной нулевой

схеме а= 1, в трехфазной мостовой — а = 2.

При напряжениях в сотни вольт можно пренебречь падением напряжения на тиристорах. В маломощных выпрямителях можно не учитывать Ха, а в мощных можно пренебречь ra.

Удобно перейти к записи внешней характеристики в относительных единицах, принимая за базу идеальное значение выпрямленного напряжения Ud0 и номинальный выпрямленный ток ldн.

Рисунок 19 - Внешние характеристики управляемого выпрямителя в непрерывном режиме в относительных единицах при допущении

идеальности вентилей

трехфазной нулевой - А = 0,87, для трехфазной мостовой - А = 0,5). На рис.19 приведено семейство внешних характеристик мощного выпрямителя в относительных единицах.

Выражение в скобках в формуле может быть рассмотрено как эквивалентное сопротивление, определяющее наклон внешней характеристики.

Тогда внешним характеристикам можно привести в соответствие схему эквивалентного генератора рис. 20. Эквивалентная ЭДС и эквивалентное сопротивление соответственно равны:

Рисунок 20 – Эквивалентная схема выпрямителя

Теперь можно уточнить определение понятия регулировочная характеристика с учетом неидеальности выпрямителя. Регулировочная характеристика - это зависимость выпрямленного напряжения от угла управления a при постоянстве выпрямленного тока. С ростом тока регулировочная характеристика смещается вниз по отношению к идеальной и тем сильнее, чем больше .

Так как при экспериментальном исследовании трудно обеспечить постоянство тока, то часто регулировочные характеристики снимают приближенно при постоянстве сопротивления нагрузки.

7. Условия возникновения режимов

Прерывистый режим возникает:

1) в однофазной однополупериодной схеме при любой нагрузке;

2)в m-фазной схеме при активно-индуктивной нагрузке, если > и xd < xd гр;

3) в m-фазной схеме при активно-индуктивной нагрузке с противоЭДС, если a > amin или > или > , а xd < xd гр.

Рассмотрим диаграммы токов и напряжений в трехфазной нулевой схеме (рис. 21 а) при работе на активно-индуктивную нагрузку с ПЭДС Е. Анализ проведем при допущении об идеальности трансформатора и вентилей.

30