Управляемые выпрямители. Временные диаграммы однофазных управляемых выпрямителей. Тиристорные преобразователи - источники регулируемого напряжения.

Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не толькопреобразовывал переменное напряжение, но и был способен изменять его значение. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор (хотя можно влепить и транзистор).

 

 

Рис. 1 - Управляемый однополупериодный выпрямитель

 

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωt_з. t_з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).

 

 

Рис. 2 - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя:

 

<

 

Рис. 3 –Фазовращатель

 

Ниже на рисунке показана схема однофазного двуполупериодного управляемого выпрямителя импульсно-фазовым управлением.

 

 

Рис. 4 - Однофазный двуполупериодный управляемый выпрямитель

 

Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C3, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.

Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора (одноплечевые) и по мостовой схеме (двухплечевые). Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом трансформатора (рис.5.4).

 

Рис.5.4. Однофазный управляемый выпрямитель

 

Рассмотрим работу управляемого выпрямителя на активно- индуктивную нагрузку с противоэдс.

Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на (рис.5.5,а-е), поясняют работу схемы.

Рис.5.5 а-е. Электромагнитные процессы в однофазном УВ.

В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение (затемненная область на рис.5.5,б), представляющее собой участок кривой напряжения .Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток. При переходе напряжения питания через нуль ток тиристора Т1 продолжает протекать вследствие того, что в нагрузке включена индуктивность. В кривой выходного напряжения создаются отрицательные участки.

Очередной отпирающий импульс подается на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора приводит к запиранию Т1. При этом к нагрузке прикладывается положительное напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале проводимости тиристора Т2, сумма напряжений вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис.5.5,е). В последующем процессы в схеме следуют аналогично, рассмотренным выше. Токи тиристоров показаны на рис.5.5,г,д, а ток нагрузки - на рис.5.5,в.

Потребляемый из сети ток i₁ показан на рис.5.5,а. Первая гармоника потребляемого тока i₁(1) отстает от напряжения сети по фазе. Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках.

 

Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня входного напряжения управления . Функциональная схема такого управления приведена на рисунке 5.6.

Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизированного с сетью генератора импульсов (ГИ), подаётся на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное управляющее напряжение u_У (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает нараспределитель импульсов (РИ) и далее на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса, подаётся на управляющий электрод тиристора.

Рис.5.6. Функциональная схема управления УВ.

 

Обычно между распределителем импульсов и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис.5.6 условно показано ломаной стрелкой.

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла . Если индуктивность в цепи нагрузки достаточно велика* для поддержания тока при отрицательном напряжении, то зависимость среднего выходного напряжения от угла управления находится из выражения:

 

(5.1)

 

где -амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Тиристорные преобразователи частоты (инверторы) представляют собой устройства, преобразующие постоянное или переменное напряжение в переменное заданной частоты. Большинство современных тиристорных инверторов позволяют осуществлять изменение частотной характеристики выходного напряжения в требуемых пределах, благодаря чему они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта, например, для плавной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей, обеспечения необходимого режима электропитания плавильных печей и т.п. Несмотря на то, что в последнее время все большее распространение получают преобразователи частоты на IGBT, тиристорные инверторы по-прежнему доминируют там, где необходимо обеспечить большие мощности (вплоть нескольких мегаватт) с выходным напряжением в десятки киловольт. Именно то, что тиристорные преобразователи частоты имеют высокий КПД (до 98%), способны успешно справляться с большими напряжениями и токами, а также выдерживать при этом импульсные воздействия и довольно продолжительную нагрузку, является их основным достоинством. Ниже приведена блок-схема наиболее типичного современного тиристорного преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.

В выпрямителе (В) входное переменное напряжение выпрямляется и поступает в фильтр (Ф), где оно сглаживается, фильтруется, после чего опять преобразуется инвертором (И) в переменное, которое может регулироваться по таким параметрам, как амплитуда и частота.