Преобразователи переменного тока в постоянный

Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Однофазный однополупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

 

В этой схеме входное напряжение и_вх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц. Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а, к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b, к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и_вх оказывается приложенным к нагрузке R_нагр, в которой начинает протекать ток нагрузки i_нагр. При активной нагрузке (как это показано на рис. 1.21, б) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение и_вх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение и_вх, которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки R_нагр будет однополярное пульсирующее напряжение и_d, среднее значение которого составит

, (1.52)

где , – амплитуда напряжения сети и его действующее значение.

Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

. (1.53)

Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 1.22 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т, вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а, b, с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R_нагр. Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.

Рис. 1.22. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

 

Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 1.22, б. Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в, г, д на рис. 1.22, б). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку R_нагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет

, (1.54)

а коэффициент пульсаций

, (1.55)

где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.

Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 1.23), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.

Рис. 1.23. Трехфазный мостовой выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а, б, в, г, д на рис. 1.23, б), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м, н на рис. 1.23, б).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени - ток проводят диоды и , в интервале времени - – диоды и , в интервале - – диоды и , и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.

Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет

, (1.56)

а коэффициент пульсаций

. (1.57)

Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 1.24).

При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а, б, в, г, д на рис. 1.24, б), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол ). В этом случае (см. рис. 1.24, в) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.

Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 1.24, б) или увеличение (рис. 1.24, г) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 1.22, б).

Рис. 1.24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б, в, г – диаграммы напряжений

при различных углах управления

 

На рис. 1.25 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1) и трехфазной мостовой (кривая 2) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .

Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.

Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р, потребляемой преобразователем, к полной мощности S

. (1.58)

Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при до 0,3…0,45 при .