Управляемые выпрямители

Для большинства потребителей выпрямители должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Это достигается применением управляемых выпрямителей.

Однофазный управляемый выпрямитель. Управ­ляемым называют выпрямитель, содержащий управ­ляемые диоды и позволяющий регулировать уровень выпрямленного напряжения. Рассмотрим принцип ра­боты однофазного управляемого выпрямителя на п риме­ре схемы с нулевым выводом (рис. 8.7, а) при активной нагрузке. Вентильными элементами в этой схеме являют­ся тиристоры.

В схеме на неуправляемых вентилях (см. рис. 8.2, а) напряжение на нагрузке (см. рис. 8.2, б) соответствует положительным полуволнам синусоидального напряже­ния на вторичной обмотке трансформатора Тр, а диоды начинают проводить ток в момент перехода напряжения через нуль (t = 0, , 2 ...). В схеме же на управляемых тиристорах ТР₁ и ТР₂ (рис. 8.7, а) момент открыва­ния тиристоров определяется моментом подачи на управ­ляющий электрод импульсов управления U_y (рис. 8.7, в). При подаче таких импульсов в моменты времени t₁ и t₂ тиристоры открываются с со­ответствующей задержкой по отношению к моментам пе­рехода напряжения через нуль, т.е. в общем случае с фазовым сдвигом  = t, где  — угловая частота на­пряжения сети.

Угол , отсчитываемый от точки естественного отпирания вентилей и выраженный в градусах, называют углом управления. Поскольку управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямленного напряжения, то угол управления для обоих тиристоров остается постоянным.

В интервалы времени 0 — t1 и я — t₂ мгновенное значение напряжения на нагрузке равно нулю (см. рис. 8.7, б — штриховые линии), так как оба тиристора заперты, а в моменты времени t₁ и t₂ оно возрастает скачком, изменяясь затем по синусоидальному закону, до момента перехода напряжения через нуль. Изменение угла управления позволяет регулировать выпрямленное напряжение U_d.

Среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления

( 8.12)

Для неуправляемого режима ( = 0)

U_do = 2E_2m /, (8.13)

следовательно, при a ≠ 0

U_do = U_do(l+cos)/2. (8.14)

В ыражение (8.14) представляет собой уравнение регулировочной характеристики выпрямителя (рис. 8.8, а). При  = 0 среднее значение выпрямленного напряжения [формула (8.13)] макси­мально и равно нулю, как следует из формулы (8.14), при  = .

Внешняя характеристика управляемого выпрямителя с учетом потерь имеет такой же вид, как и для неуправ­ляемого выпрямителя (см. § 8.2). На рис. 8.8, б показана характеристика при различных значениях угла управле­ния . Так как с увеличением угла управления среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается, то характеристики сдвигаются вниз относительно оси ординат.

Трехфазный управляемый выпрями-ель. Рассмотрим особенности трехфазных управляемых выпрямителей на примере схемы с нулевым выводом (рис. 8.9, а) при активной нагрузке.

Момент времени включения тиристоров и длитель­ность их работы определяются углом управления , отсчет которого производят от угла естественного вклю­чения /3, сдвинутого влево от максимума синусоидаль­ного напряжения фаз вторичных обмоток трансформа­тора.

При работе на активную нагрузку с изменением угла управления можно выделить два характерных режима работы выпрямителя: непрерывных токов и прерывистых токов. Первый имеет место, если угол управления находится в пределах 0 ≤  ≤ /6, второй — при /6 ≤  ≤ 5/6.

Временные диаграммы напряжения и тока трехфаз­ного управляемого выпрямителя в режиме непрерыв­ных токов показаны на рис. 8.9, б. В этом режиме ток нагрузки i,t непрерывный, а среднее значение выпрямлен­ного напряжения определяется выражением (за начало отсчета времени принимаем точку 0').

В ременные диаграммы напряжения и тока рассматри­ваемого выпрямителя в режиме прерывистых токов пока­заны на рис. 8.9, в. В этом режиме ток нагрузки i_d пре­рывистый, а выпрямитель потребляет от сети реактивную мощность. Среднее значение выпрямленного напряжения

(8.16)

При  = 5/6 выпрямленное напряжение равно нулю. Используя выражения (8.15) и (8.16), можно построить регулировочные характеристики трехфазного выпря­мителя.

С истемы управления выпрямителями. Сущность управ­ления выпрямленным напряжением заключается, как отмечалось, в задержке момента включения тиристора по отношению к моменту его естественного отпирания. Включение тиристоров со сдвигом фазы  (угол управления) производится импульсными сигналами, которы­ми обычно являются импульсы прямоугольной формы малой длительности, либо кратковременными импульса­ми с крутым передним фронтом. Система управле­ния предназначена для формирования управляющих импульсов подобной формы и подачи их на управляющие электроды с требуемым фазовым сдвигом.

Существуют разнообразные системы управления. Все они, однако, состоят из трех основных элементов, как показано на структурной схеме системы управления (рис. 8.10).

В ходное устройство создает многофазное напряжение, синхронизированное с напряжением питающей сети. Фазосдвигающее устройство обеспечивает требуемый сдвиг фазы управляющих импульсов и тем самым опре­деляет угол регулирования. Обычно вместо одного фазосдвигающего устройства вы­полняют индивидуальные фазосдвигающие устройства для каждой цепи управления. Выходное устройство фор­мирует и усиливает импульс управления. В маломощных выпрямителях в качестве выходных устройств часто применяют блокинг-генераторы, в мощных выпрями­телях — импульсные генера­торы на тиристорах.

Различают фазосдвигающие устройства горизон­тального и вертикального управления. При горизонталь­ном управлении формирование управляющего импульса осуществляется при переходе питающего напряжения через нуль, а его фазовый сдвиг обеспечивается изме­нением фазы питающего напряжения.

Более высокое быстродействие имеют фазовращающие устройства вертикального управления, исполь­зуемые в управляемых выпрямителях на тиристорах и в различных устройствах автоматического управления. Принцип вертикального управления поясняет рис. 8.11.

При вертикальном управлении осуществляется срав­нение двух включенных последовательно напряжений: регулируемого по уровню u, и переменного напряжения и, синхронизированного с напряжением сети (см. рис. 8.11, а, б, в). Обычно применяется пилообразная форма напряжения и (линейно изменяющаяся во вре­мени), но иногда используют синусоидальное или экспо­ненциальное напряжение. Для сравнения напряжений используется транзистор (рис. 8.11, а). В момент ра­венства сравниваемых напряжений (рис. 8.11, в) транзистор опрокидывается, формируя импульс управле­ния u_у (рис. 8.9, г). Необходимая форма, амплитуда и длительность импульса управления обеспечиваются выходным устройством.