4.5. Схемы выпрямителей

4.5.1. Однофазные схемы выпрямителей

Электрические схемы и диаграммы, характеризующие работу однофазных выпрямителей представлены на рисунке 4.12. Основная однофазная схема (Рис. 4.12,а) характеризуется относительно плохими показателями выпрямления. В ней плохо используется трансформатор, получаются большие пульсации выпрямленного напряжения при низкой их основной частоте. Помимо этого, однофазные, как и двухфазные, схемы создают несимметричную нагрузку на трехфазную сеть.

Однако простота однофазных схем заставляет отдавать им предпочтение перед многофазными в целом ряде случаев, в особенности при получении высоких напряжений при малых токах нагрузки. Более часто из однофазных схем применяют основную схему, схему удвоения и схемы умножения напряжения. Основную схему применяют только при нагрузке, начинающейся с емкости.

Рис. 4.12. Схемы однофазных схем и временные диаграммы их работы

4.5.2. Двухфазные схемы выпрямителей

Двухфазные схемы выпрямителей (Рис. 4.13) по сравнению с однофазными дают более высокую частоту пульсаций и меньшую их величину. Поэтому хорошая фильтрация выпрямленного напряжения в них достигается значительно проще. Этим и объясняется широкое применение двухфазных схем. Из них наиболее популярны основная и мостовая схемы.

Рис. 4.13. Схемы двухфазнфх выпрямителей и временные диаграммы : а-основная, б-мостовая

4.5.3. Трёхфазные схемы выпрямителей

Основные трехфазные схемы выпрямителей имеют неплохие показатели, но относительно сложный трансформатор. Поэтому чаще всего применяют их при средних и больших мощностях и невысоких требованиях к пульсациям. При малых заданных пульсациях более выгодными оказываются усложнен­ные трехфазные схемы (схема Ларионова). Отличаются друг от друга трехфазные схемы способом соединения обмоток трансформатора. Имеется два варианта схемы, в которых первичная обмотка соединена в треугольник и в звезду (рис. 4.14, а, б). Помимо этих схем часто можно встретить схемы выпрямителей, в которых вторичная обмотка соединена в зигзаг (рис. 4.15)

Рис. 4.14. Схемы включения обмоток трансформатора в «треугольник» и «звезду»

Рис. 4.15. Схема включения обмоток трансформатора в «зигзаг» (схема Ларионова)

4.6. Регулируемый выпрямитель

4.6.1. Основная схема тиристорного регулируемого выпрямителя.

Регулировка выходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами. Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схему выпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения, подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленное напряжение. Однако такие трансформаторы весьма громоздки и имеют малую надежность. Малая надежность получается из-за переключаемых или скользящих контактов.

Регулировка постоянного напряжения на нагрузке, достигаемая делителем напряжения или реостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большими потерями мощности.

Свободным от этих недостатков является третий метод, основанный на управлении вентилями выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящее время применяются только тиристоры (Рис.4.16,б). Они почти полностью вытеснили более громоздкие и менее надежные тиратроны. Тиристоры имеют четырехслойную p-n-р-n-структуру, моментом их включения можно управлять вспомогательным импульсом тока, который подается на управляющий электрод и открывает n-р-переход, прилегающий к катоду. После открывания тиристора все его три перехода сами смещаются в прямом направлении и он пропускает прямой ток. Ток нагрузки, протекая через тиристор, создает такую большую концентрацию носителей заряда во всех его областях, что управляю­щие свойства тиристора теряются. При спадании тока до нуля, после рассасывания неосновных носителей в базовых областях, тиристор запирается, и управляющие свойства восстанавливаются. Вольтамперная характеристика тиристора (рис. 4.16,а) при небольших прямых токах i_ир имеет несколько ветвей, соответствующих различным токам управляющего электрода iy.

Рис. 4.16. ВАХ (а) и электрическая схема включения (б) тиристора

Чем больше ток управляющего электрода, тем меньше напряжение включения тиристора U_B. Если к аноду тиристора прикладывается переменное напряжение, с амплитудой, меньшей U_вПак, то включение тиристора будет происходить лишь в момент подачи импульса тока на управляющий электрод. Для включения требуется, чтобы амплитуда импульса была достаточной для снижения напряжения включения U_B до величины, меньшей, чем напряжение анод - катод тиристора U,. Выключение тиристора, как уже говорилось, возможно лишь при снижении тока анода i_np до величины, меньшей тока отключения, который настолько мал по сравнению с прямым током тиристора, что его почти всегда считают равным нулю.

В схеме, содержащей источник питания Е, тиристор Т и резистор R (рис. 4.15, б), возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, а второе закрытому тиристору. Наложение выходной характеристики цепи резистор - источник на характеристики тиристора дает прямые токи отключенного (точка А) и включенного (точка Б) тиристора. Повышение напряжения источника от нуля до значения Е вызывает при I_у = 0 перемещение рабочей точки по нижней ветви характеристики до положения А. Если теперь подать управляющий импульс тока с амплитудой I_yi и с длительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора, то рабочая точка перейдет скачком в положение Б, соответствующее открытому тиристору. Спад открывающего импульса тока в цепи управления не оказывает влияния на процессы в открытом тиристоре, его рабочая точка остается в положении Б. Восстановление управляющих свойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании на время, большее времени его закрывания. В открытом состоянии тиристор способен пропускать очень большие токи (до нескольких сотен ампер) и оказывает им малое сопротивление. В этом его достоинство.

Применяя тиристоры, следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в момент открывания может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики эти броски в тех схемах, где ограничивающее ток сопротивление R шунтируется конденсатором. Разряд конденсатора на открывшийся тиристор может вывести его из строя. Поэтому всегда для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включают дроссель (рис.4.17). В выпрямительных схемах тиристоры гораздо лучше работают при омической нагрузке или при нагрузке, начинающейся с индуктивности. Хотя встречаются и схемы с нагрузкой, начинающейся с емкости.

Рис. 4.17. Схема тиристорного регулируемого выпрямителя

В управляемый выпрямитель тиристор включается как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подводятся от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол а, по отношению к выпрямляемому напряжению (рис. 4.17,а). Через тиристор Т₁, включившийся в момент, соответствующий ωτ=α (рис. 4.17, б), на выход выпрямителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки е₂₁. При ωτ > π напряжение е₂₁ стано­вится отрицательным, однако тиристор Т₁ запереться не может, так как это привело бы к обрыву тока, протекающего через дроссель L. Индуктивность дросселя L выбирается большей критической и в нем поддерживается непрерывный ток. Поэтому в те моменты, когда е₂₁ отрицательно, на дросселе L наводится ЭДС самоиндукции с полярностью и величиной, обеспечивающими напряжение на катоде Т₁, меньшее, чем е₂₁. Тиристор остается открытым. Нужная полярность ЭДС самоиндукции возникает при уменьшающемся токе дросселя, а последний уменьшается из-за отрицательного мгновенного значения е₀.

При ωτ=α+π открывается тиристор Т₂, через который на выход передается напряжение е₂₂, являющееся на данном этапе положительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор Т₁, оказав­шись обесточенным и смешенным в обратном направлении, запирается и т. д. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя е₀ создается лишь теми частями напряжений вторичных полуобмоток е₂₁ и е₂₂, которые соответствуют открытым тиристорам (эти части заштрихованы на рис. 4.16, б). Напряжение на нагрузке, получающееся почти равным постоянной составляющей напряжения е₀, подводимого к фильтру LC, будет расти при уменьшении угла α и спадать при его увеличении. Таким образом, напряжение на нагрузке в тиристорном выпрямителе определяется не только амплитудой подводимого напряжения, но и углом отставания управляющих тиристорами импульсов α. Регулировка выпрямленного напряжения, достигаемая изменением фазы управляющих импульсов, не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемом выпрямителе, что является основным его достоинством. Схемы выпрямления с тиристорами такие же, как у обычных выпрямителей.