4. Управляемые выпрямители

Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, что осуществляется с помощью автотрансформаторов, трансформаторов с подмагничиванием сердечника, реостатов или потенциометров, так и в цепи выпрямленного тока, что осуществляется с помощью управляемых выпрямителей.

Управляемые выпрямители – это устройства, которые позволяют плавно изменять значение выпрямленного напряжения.

Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре показана на рисунке 1.24.

VS

C

VD

R₁

R₂

R_н

~U_вх

Рисунок 1.24 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре

Управление напряжением на выходе такой схемы сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это осуществляется за счет сдвига фаз между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг называют углом управления и обозначают , а способ управления называют фазовым (рисунок 1.25).

t

t

t

α

0

i_н

0

U_y

0

U_вх

Рисунок 1.25 – Временные диаграммы входного напряжения U_вх, напряжения управления U_у и тока на нагрузке i_н

Управление величиной  осуществляют с помощью фазовращающей R₂ C-цепи. Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD₁ обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных импульсов.

Оптимальной формой управляющих сигналов является короткий импульс с крутым фронтом, который обеспечивает четкое отпирание тиристора. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени используются импульсно-фазовые системы управления.

Рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ), показанную на рисунке 1.26.

Мостовой фазовращатель, состоящий из R_ф, C₁ и двух вторичных обмоток трансформатора с выводом средней точки, осуществляет сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению. С его выхода напряжение поступает на вход усилителей – ограничителей на транзисторах VT₁ и VT₂, причем диоды VD₁ и VD₂ срезают отрицательную полуволну этого напряжения. Далее выходные напряжения этих усилителей, имеющих трапециидальную форму, дифференцируются RC-цепочками. При этом получаются двуполярные импульсы малой длительности. Диоды VD₃ и VD₄ делают их однополярными.

Рисунок 1.26 – Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя на тиристорах с импульсно-фазовым блоком управления

u

10

C₃

6

11

VD₄

R₄

R₆

VT₂

R₂

VD₂

VD₁

VD₃

R₃

R₅

R₁

C₁

220

9

C₂

5

R_ф

3

2

VS₂

V

PV

R_н

12

L_н

S₁

8

R_изм

7

A

PA

4

VS₁

1

VT₁

T

Основными характеристиками управляемого выпрямителя являются:

• характеристика управления, которая выражает зависимость выпрямленного напряжения от угла управления U_н = f () (рисунок 1.27);

• 

  U_н

  внешние характеристики, которые определяют зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при фиксированных значениях угла  (рисунок 1.28).

α

π

U_н0

Рисунок 1.27 – Характеристики управления

I_н

α ₃

α ₂

α₁ = 0

U_н

Рисунок 1.28 – внешние характеристики

Трехфазные управляемые выпрямители являются выпрямителями средней и большой мощности.

Рассмотрим работу таких выпрямителей на примере двух схем:

• схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом (рисунок 1.29);

• схема трехфазного мостового выпрямителя (рисунок 1.32).

Такой выпрямитель обычно работает на активно-индуктивную нагрузку. Длительность работы тиристоров определяется углом управления , значение которого задается импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).

Изменение угла  приводит к изменению средних значений выпрямленного напряжения U_н.ср и I_н.ср тока. Это видно на временных диаграммах при индуктивной нагрузке L_н = 0 (рисунок 1.30).

При угле управления  <  / 6 выпрямленный ток i_н имеет непрерывный характер и каждый тиристор открыт в течение времени, соответствующего углу 2 / 3.

При угле управления  >  / 6 в выпрямленном токе i_н появляются паузы.

ИФБУ

c

b

a

R_н

L_н

Рисунок 1.29 – схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводам

α

α

π / 3

π / 3

α > π / 6 (30°)

α > π / 6

α

α

0

0

0

i_н

i_н

i_н

i_н

t

t

t

U_2c

U_2b

U_2a

U₂

Рисунок 1.30 – Временные диаграммы трехфазного выпрямителя с нулевым выводам

Характеристика управления трехфазного выпрямителя показана на рисунке 1.31, откуда видно, что при L_н = 0 среднее значение выпрямленного напряжения равно нулю при  = 1500. Если трехфазный выпрямитель работает на нагрузочное устройство с индуктивным сопротивлением L_н = , то напряжение на нагрузочном устройстве становится равным нулю при угле управления  = 90°. Характеристики управления при L_н  0 L_н   располагаются между этими двумя предельными характеристиками. Нагрузочный ток i_н при L_н =  будет сглаживаться и иметь непрерывный характер при  >  / 6.

L_н = 0

L_н = ∞

20

40

60

100

120

140

0

40

60

20

100

α°

Рисунок 1.31 – характеристика управления трехфазного выпрямителя

Рассмотрим схему трехфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров. Тиристоры VS₁, VS₂, VS₃ объединены в катодную группу, а тиристоры VS₄, VS₅, VS₆ – в анодную группу. Также как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один из анодной группы, другой – из катодной. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180° сигнал, поступающий на тиристор анодной группы.

Характеристики управления выглядят так же, как для выпрямителя с нулевым выводом. Отличие лишь в том, что предельным углом управления, при котором U_н.ср = 0, является угол  = 120°. Внешние характеристики трехфазных управляемых выпрямителей имеют такой же вид, как внешние характеристики неуправляемых выпрямителей.

Рисунок 1.32 – Схема трехфазного мостового выпрямителя

VS₆

VS₅

VS₄

VS₃

VS₁

VS₂

ИФБУ

I_н

R_н

a

c

b