1.6 Неуправляемая однофазная мостовая схема выпрямления

Однофазная мостовая схема выпрямления приведена на рисунке 7. Однофазная мостовая схема является двухтактной. Схема содержит четыре диода VD1—VD4, соединенных по схеме однофазного моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети (u₁) и выпрямленное напряжение нагрузки (u_d). В одну диагональ вентильного моста включен источник переменного напряжения (u₂), а в другую - нагрузка (L_d-R_d). Ток в цепи вторичной обмотки протекает на интервале обоих полупериодов питающего напряжения переменного тока.

Рисунок 7. Схема однофазного мостового неуправляемого выпрямителя

Характер нагрузки выпрямителя может быть активным (выключатель, шунтирующий дроссель L_d, замкнут) или активно-индуктивным (выключатель, шунтирующий дроссель L_d, разомкнут).

Напряжение вторичной обмотки, которое подается на вентильный блок, изменяется по гармоническому закону:

.

На рисунках 8,б приведена кривая выпрямленного напряжения однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

В однофазной мостовой схеме вентили работают поочередно парами VD1 , VD2 и VD3, VD4 (рисунок 7). В положительный полупериод напряжения и₂ (интервал времени 0<ωt<π) ток проходит от вторичной обмотки трансформатора через вентиль VD1, нагрузку L_d- R_d и вентиль VD2.Так как в это время вентили VD3, VD4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее значение которого равно максимальному амплитудному напряжению вторичной обмотки трансформатора U_2m. В отрицательный полупериод (интервал времени π<ωt<2π) ток проходит через вентиль VD3, нагрузку L_d-R_d и вентиль VD4. При этом обратное напряжение прикладывается к вентилям VD1 и VD2. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении – от общей точки катодов вентилей, которая имеет положительный потенциал, к общей точке анодов вентилей, которая имеет отрицательный потенциал. Среднее значение тока, протекающего через нагрузку, определяется средним значением выпрямленного напряжения (U_d) и сопротивлением нагрузки (R_d). Выпрямленное напряжение u_d (рисунок 8,б) имеет постоянную составляющую U_d и переменную составляющую u_d~, которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсации напряжения.

Рассмотрим работу неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 7, замкнуть ключ, шунтирующий дроссель L_d, . Сравним кривые выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя, приведенные на рисунке 8,б, и неуправляемого двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, приведенные на рисунке 6,б. Можно видеть, что они идентичны. Отсюда можно сделать вывод о том, формулы для определения среднего значения выпрямленного напряжения для этих двух схем неуправляемых выпрямителей, одинаковы.

(27)

Как видно из рисунка 7, максимальное значение обратного напряжения на закрытом вентиле равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора.

(28)

Величина среднего и действующего значений тока через вентиль равны соответствующим величинам для двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, так как в обеих схемах кривые тока вентиля одинаковы:

Среднее значение тока вентиля:

Действующее значение тока вентиля:

Ток вторичной обмотки трансформатора i₂ при чисто активной нагрузке синусоидален и действующее значение тока I₂ можно определить как .

Как было показано ранее,

.

Отсюда можно получить соотношение между действующим значением тока вторичной обмотки трансформатора и средним значением тока нагрузки

. (29)

Ток первичной обмотки тоже синусоидален, и его действующее значение I₁ отличается от I₂ на величину коэффициента трансформации

:

(30)

Расчетные мощности обмоток трансформатора в однофазном мостовом выпрямителе равны между собой и равны типовой мощности трансформатора. Выражая их через номинальную мощность нагрузки

получим

(31)

Таким образом, коэффициент расчетной мощности трансформатора этой схемы выпрямления (k_рм) при чисто активной нагрузке равен 1,23.

Коэффициенты использования вентилей по току k_i и напряжению k_u равны соответственно:

.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в два раза больше частоты питающей сети:

f_п= k_тm₂ f_c=2 f_c.

Работа неуправляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 7, разомкнуть ключ, шунтирующий L_d. Будим полагать, что ток нагрузки идеально сглажен (L_d=∞). В этом случае изменится только величина и форма токов в элементах схемы. На процессе переключения групп вентилей это явление не скажется, так как при смене полярности напряжения на вторичной обмотке идеального трансформатора ток вторичной обмотки трансформатора может мгновенно менять свое направление. Следовательно, переход тока с вентиля на вентиль будет происходить, как и в случае работы схемы на чисто активную нагрузку в моменты времени прохождения через ноль напряжения вторичной обмотки трансформатора. Ток вентиля при активно – индуктивном характере нагрузки (L_d=∞) имеет вид прямоугольного импульса длительностью равной 180⁰ с амплитудой, равной величине выпрямленного тока (I_d). Среднее и действующее значение тока вентиля равны, cоответственно:

; .

Форма тока первичной и вторичной обмоток трансформатора будет прямоугольной. Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора в этом случае равно его амплитудному значению:

I₂=I_d.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

(32)

Сравнивая однофазную мостовую схему выпрямления с рассмотренной ранее двухполупериодной схемой выпрямления с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, можно заметить, что при равных выпрямленных напряжениях и токах (U_d и I_d) в однофазной мостовой схеме необходимо вдвое большее количество вентилей, но с вдвое меньшим обратным напряжением.

Определим расчетные мощности первичной и вторичной обмоток.

.

Типовая мощность трансформатора

(33)

Коэффициент повышения расчетной мощности трансформатора в этом случае k_рм =1,11. Отметим, что при чисто активной нагрузке этот коэффициент больше и равен 1,23.

Коэффициенты использования вентилей по току k_i и напряжению k_u при L_d=∞ равны соответственно:

.

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы неуправляемого однофазного мостового выпрямителя.

2 Во сколько раз действующее значение напряжения, подаваемого на вход выпрямителя, должно быть больше среднего значения напряжения нагрузки?

3 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активном характере нагрузки?

4 Во сколько раз расчетная мощность трансформатора больше мощности нагрузки при активно-индуктивном характере нагрузки?

5 Чему равна частота пульсаций выпрямленного напряжения однофазного мостового выпрямителя?

6 Чему равен коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения неуправляемого однофазного мостового выпрямителя?

7 Во сколько раз максимальное напряжение на закрытом вентиле неуправляемого однофазного мостового выпрямителя больше напряжения нагрузки?

8 Чему равен коэффициент использования вентиля по току?

Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активную нагрузку.

Силовая схема управляемого однофазного мостового выпрямителя приведена на рисунке 8,а. Отличие схем, приведенных на рисунках 7 и 8,а заключается в том, что неуправляемые вентили – диоды (рисунок 7) заменены на тиристоры (рисунок 8,а). Как было отмечено выше, для открытия тиристоров необходимо выполнение двух условий - потенциал анода тиристора должен быть выше потенциала катода и наличие на управляющих электродах импульса управления.

Для реализации режима работы управляемого выпрямителя на чисто активную нагрузку необходимо на схеме, приведенной на рисунке 8,а замкнуть ключ S.

На рисунках 8,в,г приведены кривые выпрямленного напряжения при угле регулирования α>0, причем на рисунке 8,в кривая выпрямленного напряжения соответствует активно-индуктивному характеру нагрузки, а на рисунке 8,г кривая выпрямленного напряжения соответствует активному характеру нагрузки.

Рисунок 8. Схема (а) и временные диаграммы (б, в, г), поясняющие работу однофазной мостовой схемы выпрямления

Так как в этой схеме одновременно работают два тиристора, то управляющие импульсы необходимо подавать одновременно на два тиристора, расположенные диагонально, т.е. на VS1 и VS2 или на VS3 и VS4.

Необходимо отметить, что в однофазных мостовых выпрямителях, проектируемых для работы на чисто активную нагрузку, нет необходимости в использовании четырех тиристоров. Достаточно, например, двух управляемых, включенных в катодную группу, и двух неуправляемых вентилей, включенных в анодную группу. Это позволяет снизить стоимость выпрямителя и упростить его схему (за счет существенного упрощения системы управления). При этом процессы в выпрямителе, основные расчетные соотношения и возможность регулирования будут точно такими же, как в выпрямителе с четырьмя управляемыми вентилями.

Выведем выражение для среднего значения выпрямленного напряжения однофазного управляемого выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку.

(34)

Нетрудно установить, что предельный угол регулирования, при котором напряжение на нагрузки становится равным нулю, назовем его углом запирания, α_зап.=180⁰_.. Формула (34) по сути является регулировочной характеристикой однофазного управляемого выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, при работе на чисто активную нагрузку. Максимальное значение обратного напряжения на тиристорах, как и в случае работы схемы на неуправляемых вентилях, равно амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора (смотри формулу (28)). Максимальное значение прямого напряжения на тиристоре зависит от угла регулирования

(35)

Отметим, что при активной нагрузке на интервале времени 0≤ωt≤α не открыт ни один тиристор силовой схемы выпрямителя и напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к двум последовательно соединенным тиристорам. Таким образом, к каждому из тиристоров прикладывается только половина напряжения вторичной обмотки трансформатора, что и учтено в формуле (35). Величина действующего значения тока первичной обмотки трансформатора определяется по той же формуле, что и для случая работы неуправляемого выпрямителя на активную нагрузку, формула (30).

Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.

Для реализации этого режима необходимо на схеме, приведенной на рисунке 8,а разомкнуть ключ S и подать импульсы управления на тиристоры. Рассмотрим влияние характера нагрузки на работу управляемого выпрямителя. Как было указано выше, на рисунке 8,б приведена кривая выпрямленного напряжения на нагрузке при активно-индуктивном характере нагрузки, а на рисунке 8,в - при чисто активном характере нагрузки. Из рисунка 8,б следует, что при активно-индуктивном характере нагрузки каждая пара вентилей проводит ток на интервале времени длительностью λ_т=π независимо от величины угла регулирования α. При чисто активном характере нагрузки длительность ведения тока каждой парой вентилей зависит от величины угла регулирования α и изменяется от λ_т=π (при α=0⁰) до λ_т=0 (при α=180⁰). Включение дросселя с индуктивностью Ld вносит существенные изменения в работу выпрямителя, выполненного по любой схеме. Основное из них заключается в том, что при смене полярности напряжения вторичной обмотки u₂ тиристоры не закрываются (как это происходит при чисто активной нагрузке), а проводят ток в течение некоторого времени при отрицательном напряжении u_2. (при ωt>π, смотри рисунок 8,в). При достаточно большой величине индуктивности дросселя L_d длительность ведения тока вентилями достигает λ_т=π и прерывистость тока нагрузки отсутствует. Это явление объясняется тем, что на интервале времени ωt>π на обмотке дросселя появляется ЭДС самоиндукции e_L=-Ldi/dt, противоположная по знаку напряжению и₂. Под воздействием этой ЭДС и происходит протекание тока нагрузки. Этот процесс происходит до тех пор, пока накопленная в индуктивности L_d энергия W_L=L_dI²/2 расходуется частично в активном сопротивлении R_d и частично возвращается (рекуперируется) в сеть переменного тока. Совершенно очевидно, что на этом интервале времени e_L>u₂ и к анодам тиристоров VS1 и VS2 прикладывается положительный потенциал u_в=(e_L-u₂)>0.

Если индуктивность дросселя недостаточна, то энергия, запасенная индуктивностью дросселя W_L=LI²/2, может стать равной нулю до момента подачи импульсов управления на очередную пару вентилей (VS3, VS4), и ЭДС самоиндукции e_L=0, то к вентилям VS1 и VS2 прикладывается отрицательное напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂. Тиристоры VS1 и VS2 закрываются. При достаточно большой индуктивности дросселя L_d энергия дросселя не исчезает на всем интервале ведения тока вентилями λ_т=π и ток нагрузки имеет непрерывный характер. Характер процессов, протекающих в этой схеме выпрямления, в определенной мере иллюстрируется кривой выпрямленного напряжения, приведенной на рисунке 8,в. Как видно из этого рисунка ток через тиристоры (VS1 и VS2) не обрывается в момент прохождения фазного напряжения u₂ через ноль, как это имеет место при чисто активной нагрузке, а продолжает течь вплоть до момента коммутации тока на следующую пару тиристоров. В кривой выпрямленного напряжения при этом имеются участки положительного и отрицательного напряжения. Величина среднего значения выпрямленного напряжения при этом может быть определена по формуле (36).

(36)

Максимальное обратное напряжение на закрытом тиристоре определяется по формуле (28), а максимальное прямое напряжение на тиристоре зависит от угла регулирования α:

(37)

Кривые первичного и вторичного токов при активно-индуктивной нагрузке имеют прямоугольную форму, симметричную относительно оси абсцисс. Действующее значение вторичного тока равно: . (38)

А действующее значение первичного тока отличается от действующего значения вторичного тока в коэффициент трансформации раз:

(39)

Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме двукратна по отношению к частоте напряжения питающей сети, т.е. f_п=2f_c.

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения и малой их частоте применяют в основном в электроустановках малой мощности, например, а также во вторичных источниках питания.

Вопросы для самоконтроля:

1 Сформулируйте принцип работы управляемого однофазного мостового выпрямителя.

2 Укажите требуемый диапазон изменения угла α для регулирования среднего значения напряжения на нагрузке от максимального значения до нуля:

- при чисто активной нагрузке;

-при активно-индуктивном характере нагрузки (L_d=∞).

3 Объясните физическую причину различия углов α_зап. при активной и активно-индуктивной нагрузке.