2.2. Управляемые однофазные полупроводниковые выпрямители

Часто необходимо регулировать напряжение на выходе выпрямителей или передаваемую в нагрузку мощность, что требует применения управляемых выпрямителей.

Рассмотрение выпрямителей с учетом всех этих особенностей представляет сложности, поэтому сначала обратимся к рассмотрению однофазных выпрямителей, на примере которых выявим характерные черты выпрямителей средней и большой мощности, а затем распространим результаты анализа на трехфазные схемы.

Для изменения напряжения на выходе выпрямителей используют управляемые выпрямители, построенные на управляемых вентилях, наиболее часто на однооперационных тиристорах. Запирание тиристоров в таких выпрямителях происходит за счет изменения полярности напряжения в сети переменного тока. В этом случае процесс переключения вентилей называется естественной коммутацией.

На рис1., а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора (нулевая схема). От рассмотренного ранее неуправляемого выпрямителя (см. рис. 5.2, а) данный выпрямитель отличается тем, что неуправляемые вентили (диоды) заменены управляемыми (тиристорами). Рассмотрим работу схемы при разном характере нагрузки и, полагая трансформатор и вентили идеальными.

Работа на активно-индуктивную нагрузку нагрузку.

При указанной на рис.1,а полярности напряжения сети может пропускать ток тиристор V1 при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления i_y1, Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол , называемыйуглом управления (рис. 2, а). Моментом естественного отпирания называем момент

Рис. 1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель (а) и токи и напряжения в цепи постоянного тока при работе в качестве потребителя энергии (б) и источника (в)

Рис. 2. Временные диаграммы токов и напряжении в однофазном нулевом управляемом выпрямителе при работе на активную (а) и активно-индуктивную (б, в) нагрузки: б—режим прерывистого тока; в—режим непрерывного тока

появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (на рис. 2 это момент длятиристора V1).

До включения тиристора VI (т.е. при ) напряжение нанагрузке U_d=0. При включении тиристора в момент напряжениеU_d возрастает скачком до значения U_d=e₂, поскольку на открытом тиристоре U_а. Ток протекает через верхнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VI и нагрузку: i₂(t)=i_а (t)⁼⁼i_d(t). При активной нагрузке ток повторяет форму напряжения (рис.2,а). При протекании тока через нагрузку в нагрузке рассеивается активная мощность.

При ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю,тиристор VI запирается. До отпирания тиристора V2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку на интервале не передается. В момент подается управляющий импульс на тиристорV2, тиристор открывается, на этом интервале u_d=-e₂ т.е. к нагрузке приложено напряжение нижней полуобмотки трансформатора. Ток протекает через нижнюю полуобмотку, тиристор V2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент происходит запирание тиристора V2.

Завершая рассмотрение временных диаграмм рис.2,а, отметим, что ток первичной обмотки трансформатора i₁ на каждой половине периода повторяет форму вторичного тока проводящей полуобмотки. Напряжение на закрытом вентиле ,гдепотенциалы анода и катода ф_а и фк определяются относительно вывода средней точки трансформатора; очевидно, что ф_к = Ud, а ф_а равно ЭДС на соответствующей полуобмотке трансформатора, т.е. е₂. Таким образом, во время бестоковой паузы U_d =0 и u_a = е₂. На интервале работы одного из вентилей на открытом вентиле , u_a=0, на закрытом тиристоре u_a= =2 е₂.

Найдем среднее значение ЭДС выпрямителя, равное при холостом ходе среднему значению выходного напряжения:

,

где E_d0=0,9E₂- среднее значение ЭДС на выходе неуправляемого выпрямителя. Уменьшение U_d при увеличении угла управления иллюстрируется временными диаграммами рис.3. С увеличением растет

Рис.3. Форма выходного напряжения однофазного выпрямителя с активной нагрузкой при различных углах управления

Рис.4. Регулировочные характеристики однофазного выпрямителя (а) и внешние характеристики выпрямителя средней, и большой мощности (б)

интервал бестоковой паузы, на котором мощность от сети в нагрузку не передается. Зависимость U_d=f() называетсярегулировочной характеристикой, для активной нагрузки она представлена на рис.4, а