4. Особливості комутаційних процесів в однофазному мостовому випрямлячі

Особливість полягає в тому, що на етапі комутації в провідному стані знаходяться одночасно всі чотири тиристори (див. контур комутації рис.8).

Рис.8. Схема ( а) та часові діаграми (б) однофазного мостового випрямляча

На схемі рис.8а показано контур комутації під час вступу в роботу тиристорів VS1,VS2 і закриванні тиристорів VS3,VS4. Струм комутації в однофазній мостовій схемі обумовлений напругою u₂ та обмежений індуктивним опором трансформатора x_а та визначається виразом (8), тобто як і в однофазній схемі випрямлення з виводом нульової точки трансформатора. Відмінність полягає лише в тому, що в мостовій схемі безпосередньо в комутації кожного з тиристорів приймають участь складові комутаційного струму i_к1 та i_к2 . За умови рівності цих складових процес комутації закінчиться, коли i_к1 = i_к2 = I_d. Струм i_к = i_к1 + i_к2 в момент завершення комутації буде рівним 2I_d, отже в момент струм i_к =2I_d. Використавши вираз (8) і останню умову, отримаємо

= 2I_d..

Звідси різниця косинусів становитиме

= .

Відповідно рівняння зовнішньої характеристики набуде вигляду

U_d =U_d0соs - , (11)

тобто комутаційні втрати напруги в однофазній мостовій схемі вдвічі більші, ніж в однофазній схемі випрямлення з виводом нульової точки трансформатора. Однак вказаний недолік компенсується зменшенням приблизно вдвічі значення індуктивного опору x_а за рахунок кращого магнітного зв’язку вторинної обмотки з первинною і, відповідно, зовнішні характеристики цих двох схем приблизно одинакові.

Принагідно вкажемо ще одну відмінність однофазної мостової схеми випрямлення. На рис. 8б наведені часові діаграми струмів та напруг мостового випрямляча. Відмінність полягає лише у формі струму вторинної обмотки трансформатора – він змінний. Форми струмів i_d, i_a1, i_a2 та напруги u_d такі ж як і в однофазній схемі випрямлення з виводом нульової точки трансформатора. Відповідно отримані залежності в розділах 1.1 та 1.2 залишаються справедливими і для однофазної мостової схеми випрямлення. Виняток становить величина зворотної напруги тиристора, яку задає його схема ввімкнення. Вона визначається амплітудою напруги живлення, тобто U_в= U₂ (в схемі відсутні інші напруги, які могли б прикладатися до тиристора у закритому стані).

Однофазні інвертори

Однофазні інвертори виконуються за тими ж схемами, що й випрямлячі. Наявність тиристорів в схемі перетворювачів не дозволяє змінити напрям протікання струму. Тому для переводу схеми перетворювача з режиму випрямлення в режим інвертування ми змушені використати другий метод зміни напряму потоку потужності, тобто змінити полярності напруг джерел зі збереженням напряму струму в колі.

На рис.10б наведена схема однофазного веденого мережею інвертора з нульовим виводом трансформатора. Джерелом енергії в режимі інвертування слугує машина постійного струму М, яка працює в режимі генератора. Індуктивність L_d здійснює згладжування вхідного струму інвертора, а реактивні опори х_а1 і х_а2 – сумарні опори розсіювання обмоток трансформатора та мережі живлення.

В режимі випрямлення джерелом енергії є мережа змінного струму (рис.10а). За умови =0 крива струму і₁ , який споживається від мережі , знаходиться у фазі з напругою живлення u₁ (рис.11а). За умов L_d і х_а1= х_а2=0 форма струму і₁ близька до прямокутної. Тиристор VS1 відкритий коли напруга u_2-1 має додатну полярність, а тиристор VS2 – відповідно, коли має додатну полярність напруга u_2-2. Машина постійного струму, яка під’єднана до випрямляча з вказаною на рис.10а полярністю, працює в режимі двигуна зі споживанням енергії від мережі.

Під час роботи перетворювача в режимі інвертування машина М постійного струму стає генератором електричної енергії, а мережа змінного струму – її споживачем. За умов збереження в схемі тих же напрямів струмів і_а1, і_а2, і_d (наявність в схемі тиристорів!) генераторному режиму буде відповідати полярність напруги E_d, яка вказана на схемі рис.10б. Зміна полярності ЕРС машини у мережі постійного струму є однією з умов переводу даної схеми в режим інвертування. Показником споживання енергії мережею є фазовий зсув у 180° струму і₁ відносно напруги u₁ (рис.11б). Це означає, що тиристори схеми в режимі інвертування повинні бути у відкритому стані переважно при від’ємній полярності вторинних напруг u_2-1 та u_2-2. Вказаному режиму відкривання тиристорів під час інвертування відповідає кут керування , який відраховується в напряму запізнення ( вправо ) відносно точок природного відкриття тиристорів.

Але! Закриття, наприклад, попереднього відкритого тиристора VS2 під час вступу наступного відбувається в даній схемі під впливом вторинних напруг обмоток трансформатора u_в2= u_2-2 - u_2-1. Коли ця напруга переходить в додатну область, тобто за таких умов другий тиристор не закриється (нагадаємо, що для відновлення вентильних властивостей до тиристора, що виходить з роботи, повинна бути прикладена протягом деякого часу t від’ємна зворотна напруга. Цей час не повинен бути меншим номінального часу вимкнення тиристора t t_{в ном} , який задається в його паспортних даних).

Рис. 11. Умови переведення випрямляча із режиму випрямлення в режим інвертування

Перший же тиристор VS1 не відкриється коли, =180°, оскільки напруга u_2-1 переходить у відємну область. Перший тиристор може відкритись лише тоді, коли напруга u_2-1 ще додатня. Отже, реальне значення кута  повинно бути менше  на деякий кут , що надасть можливість для закриття попереднього тиристора та для вступу наступного, тобто (рис.11в). Зауважимо, що розгляд процесів в інверторах, як правило, ведеться з використанням кута випередження , який відраховується від точки  для тиристора VS1, 2 - для тиристора VS2 і т.д.

Таким чином із наведеного вище випливає, що для переводу перетворювача із режиму випрямлення в режим інвертування необхідно виконати дві умови: 1) під’єднати джерело постійного струму, енергію якого необхідно перетворити в енергію змінного струму, до виходу випрямляча (входу інвертора) з полярністю оберненою до режиму випрямлення; 2) забезпечити проходження струму через тиристори переважно при від’ємних полярностях вторинних напруг, відкриваючи тиристори з кутами  > 90°.