1. Выпрямители

1.1. Cтруктурная схема и классификация выпрямителей

Выпрямитель - это полупроводниковый преобразователь электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

В учебном пособии рассматриваются как управляемые, так и неуправляемые выпрямители. Управляемые выпрямители способны работать как в выпрямительном режиме, так и режиме зависимого инвертирования, т.е. обладают принципом обратимости. Та­кие преобразователи предназначены для работы совместно с сетью, в ко­торой задана частота и величина напряжения, чем и определяется отно­сящееся к ним понятие "зависимые инверторы", или "инверторы ведомые сетью". Система импульсно - фазового управления (СИФУ) как выпрямителей, так и зависимых инверторов должна быть синхронизирована с сетью переменного тока, к которой они подключены [2].

Импульсы управления, вырабатываемые СИФУ, должны быть распределены по вентилям силовой схемы в соответствие с числом фаз и порядком следования фаз напряжения сети переменного тока, к которой подключен преобразователь.

Работа преобразователей, как в выпрямительном, так и инверторном режимах, осуществляется при ес­тественной коммутации тока вентилей - процесса перехода тока с одно­го вентиля на другой при открытии очередного вентиля сигналом управ­ления. Выключение работавшего ранее тиристора происходит после открытия очередного тиристора и приложения к выключаемому тиристору напряжения сети переменного тока в обратном (запирающем) направлении.

Отметим, что неуправляемые выпрямители, построенные на неуправляемых вентилях, (диодах) не обладают свойством обратимости. Теория неуправляемых выпрямителей может рассматриваться как частный

случай общей теории управляемых выпрямителей.

Блок-схема обобщенного выпрямителя в общем виде содержит:

- сетевой трансформатор, необходимый для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя;

- вентильный блок, который собственно и осуществляет саму функцию выпрямления переменного ток; -cглаживающий фильтр, который устанавливается в цепи постоянного тока и служит для подавления (уменьшения) пульсаций выпрямленного тока и напряжения;

- схему управления и регулирования, которые содержатся только в управляемых выпрямителях;

- пуско - защитную аппаратуру, которая обеспечивает безопасный пуск и защиту выпрямителя от сверхтоков, токов короткого замыкания, повышения и понижения напряжения выше допустимого значении;

- систему диагностики и сигнализации, которая служит для оперативной диагностики состояния отдельных элементов и выпрямителя в целом, а также для сигнализации о возникших неисправностях этих элементов.

Рисунок 3. Структурная схема управляемого выпрямителя

В некоторых выпрямителях перечисленные выше звенья могут отсутствовать. Например, управляемый выпрямитель, структурная схема которого приведена на рисунке 3, содержит только следующие основные узлы и блоки:

Т-трансформатор;

ВБ - вентильный блок преобразователя;

СФ - сглаживающий фильтр;

УУ - устройство управления.

Отметим, что вентильный блок преобразователя может быть выполнен как на

не управляемых, так и на управляе­мых вентилях.

Неуправляемые выпрямители выполняются на диодах, а управляемые выпрямитель выполняется на управляемых вентилиях. Как уже было сказано выше, управляемые вентили подразделяются на однооперационные (тиристоры), двухоперационные (запираемые тиристоры) и полностью управляемые (транзисторы).

Рассмотрим назначение указанных выше узлов выпрямителя.

Трансформатор в схеме обеспечивает преобразование величины напряжения и числа фаз вторич­ной обмотки по отношению к первичной.

Вентильный блок преобразует переменное напряжение в постоянное.

Фильтр служит для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения и тока.

Устройство управления осуществляет формирование управляющих сигналов вентилей, регулирова­ние фазы этих сигналов по отношению к анодным напряжениям для обес­печения стабилизации или регулирования величины выходного напряжения, а также обеспечивает построение систем защиты.

Классификационные признаки выпрямителей

Схемы выпрямителей могут быть классифицированы по следующим основным признакам [6].

По выходной мощности:

-малой мощности (до единиц киловатт);

-средней мощности (десятки киловатт):

-большой мощности (сотни, тысячи киловатт).

По фазности, которая определяется числом фаз вторичной обмотки трансформатора, m₂:

-однофазные выпрямители;

-многофазные выпрямители.

Основные схемы выпрямителей однофазного тока:

-однополупериодная (однофазная однотактная);

-двухполупериодная с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора;

-мостовая.

Основные схемы выпрямителей трехфазного тока:

-трехфазная с нулевым выводом трансформатора;

-трехфазная мостовая схема (cхема Ларионова);

-шестифазная с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора;

-двойная трехфазная (с уравнительным реактором);

-кольцевая.

По тактности работы силовой схемы, k_Т:

-однотактные, k_Т=1;

-двухтактные, k_Т=2.

Тактность преобразователя определяется числом полупериодов ведения тока фазами вторичной обмотки трансформатора на интервале одного периоде напряжения переменного тока, k_Т.Схемы выпрямителей с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора являются однотактными, а мостовые схемы - двухтактными.

По пульсности силовой схемы.

Пульсность, р, (или кратность частоты пульсаций) опре­деляется числом повторяющихся пульсаций выходного тока и напряжения на периоде напряжения питающей сети. Пульсность равна произведению коэффициента тактности на число фаз, р=k_Тm₂.

По возможности регулирования выходного напряжения:

-неуправляемые выпрямители;

-управляемые выпрямители.

По возможности поддержания высокого значения коэффициента мощности на всем диапазоне регулирования выходного напряжения управляемые выпрямители подразделяются на:

-пассивные выпрямители;

-активные выпрямители.

Пассивные выпрямители - это традиционные тиристорные выпрямители с импульсно-фазовым способом управления и естественным способом коммутации, коэффициент мощности которых (χ) определяется главным образом величиной угла регулирования, а точнее косинусом этого угла, т.е. χ≈cosα.

Активные выпрямители выполняются на полностью управляемых вентилях- транзисторах. Поддержание высокого, близкого к единице значения коэффициента мощности активного выпрямителя на всем диапазоне регулирования величины выходного напряжения U_d обеспечивается не столько элементами высокочастотных фильтров, устанавливаемых на входе активного выпрямителя, сколько алгоритмами релейных или импульсно-модуляционными способами управления и применением замкнутых векторных систем автоматического управления этими выпрямителями.

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте определение понятию «выпрямитель».

2 Перечислите варианты выполнения выпрямителей:

- по возможности регулирования выходного напряжения;

- по фазности;

-по возможности поддержания высокого значения коэффициента мощности выпрямителя;

3 Сформулируйте требования, которым должна удовлетворять СИФУ выпрямителя.