Структурная схема и параметры выпрямителей

Структурная схема и параметры выпрямителей

 

ВЫПРЯМИТЕЛЬ - это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.

 

Структурная схема выпрямителя

 

Трансформатор регулирует напряжение до необходимой величины.

Вентильная группа содержит элементы с односторонней проводимостью: выпрямительные диоды в неуправляемых выпрямителях и тринисторы - в управляемых выпрямителях.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Стабилизатор напряжения поддерживает неизменным напряжение на нагрузочном резисторе R_н.

Существуют однофазные и трехфазные, управляемые и неуправляемые выпрямители.

 

Сглаживающие фильтры

 

Схемы, принцип действия, параметры и характеристики

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры (СФ).

Снижение пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания

 

,

 

где K_п и K_п^’ – коэффициенты пульсаций до и после фильтра.

Основными требованиями к сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.

У индуктивного элемента , а у емкостного элемента

 

,

 

где k – номер гармоники.

Поэтому индуктивность устанавливают последовательно, а емкость – параллельно нагрузке.

 

Емкостной фильтр

 

Конденсатор заряжается до напряжения U₂, когда U₂ > U_с (интервал t₁ – t₂). В течение интервала времени (t₂ – t₃) напряжение U_с > U₂ – диод закрыт, а конденсатор разряжается через резистор R_н с постоянной времени .

С момента времени t₃ U_с < U₂ – конденсатор заряжается и т.д.

То есть, когда диод пропускает ток конденсатор заряжается, а когда к диоду приложено обратное напряжение – конденсатор разряжается на нагрузку R_н.

Индуктивный фильтр

 

 

 

В течение положительного полупериода напряжения u₂, когда ток i нарастает, индуктивная катушка L_ф запасает энергию, а в отрицательный полупериод – энергия расходуется на поддержание тока.

Длительность импульсов тока i_н определяется постоянной времени . Чем больше индуктивность L_ф, тем больше затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления . Падает и среднее значение тока.

Обычно индуктивность L_ф в однополупериодных схемах не применяют, а используют в двухполупериодных:

 

 

Разновидности сглаживающих фильтров:

 

LC- RC-фильтры; Г-, П-, Т- образные фильтры.

 

Схемы зависимых инверторов по существу не отличаются от схем управляемых выпрямителей. Поэтому они могут рассматриваться как схемы реверсивных преобразователей, способных передавать электрическую энергию из сети в источник постоянного тока (выпрямительный режим) и наоборот (инверторный режим). Для этого необходимо изменить полярность источника постоянного тока по отношению к тиристорам и изменить алгоритм формирования импульсов управления.

При анализе нормальных режимов работы инвертора важно знать следующие основные его характеристики: входную и ограничительную.

Входная характеристика представляет собой зависимость входного напряжения инвертора U_d от среднего значения входного тока I_d.

Рис.5.2. Входная и ограничительная характеристика инвертора при ωL_d = ∞

Входное напряжение инвертора при допущении равенства нулю падения напряжения в тиристорах и активных сопротивлениях схемы можно представить в виде суммы двух составляющих. Первая составляющая входного напряжения - это напряжение холостого хода U_d0, равное входному напряжению при мгновенной коммутации вентилей, т.е. при угле коммутации g = 0. Второй составляющей является среднее значение падения напряжения ΔU_на интервалах коммутации. В отличие от выпрямителей, у которых падение напряжения вычитается из напряжения холостого хода, в ведомых инверторах эти составляющие суммируются. На рис. 5.2 представлены входные характеристики однофазного инвертора при различных углах β, из которых видно, что они в отличие от внешних характеристик выпрямителя, представленных на рис. 5.2 в правой полуплоскости, имеют возрастающий характер (напряжение увеличивается с ростом тока). При этом внешние характеристики выпрямителя являются продолжением входных характеристик инвертора при условии равенства углов α и β.

Напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при I_d = 0 (т.е. на холостом ходу) одинаковы для выпрямительного и инверторного режимов и зависят от угла β (или α). Эту зависимость обычно называют регулировочной характеристикой. Рассматриваемые преобразователи обладают свойством обратимости, т.е. путем изменения углов управления и переключения полярности источника постоянного тока можно переходить от выпрямительного режима к инверторному и наоборот.

Автономные инверторы (АИ) - это, как указывалось выше, преобразователи постоянного тока в переменный, которые работают на сеть, в которой нет других источников электроэнергии. Коммутации вентилей в них осуществляются благодаря применению полностью управляемых вентилей или устройств искусственной коммутации. При этом частота напряжения на выходе АИ определяется частотой управления, а величина напряжения -параметрами нагрузки и системой регулирования.

Автономные инверторы тока (АИТ). На входе АИТ действует источник тока, образованный источником ЭДС и большой индуктивностью, форма тока на выходе вентильной группы прямоугольная, а форма напряжения определяется характером нагрузки (рис. 5.3). Нагрузка может быть только активной или активно-емкостной, т.к. при активно-индуктивной нагрузке ток не может мгновенно изменить направление.

Рис.5.3. Автономный инвертор тока

Рассмотрим работу схемы при активно-емкостной нагрузке. В момент t₁ начинают проводить тиристоры V1,V2; в момент t₂ тиристоры V1,V2 выключаются, а тиристоры V3, V4 включаются. Ток через нагрузку меняет направление. Под действием проходящего тока напряжение на нагрузке изменяется по экспоненте.

Автономные инверторы напряжения (АИН). На входе АИН действует источник ЭДС, напряжение на выходе вентильной группы прямоугольное, а форма тока определяется характером нагрузки. Напряжение на нагрузке переключается мгновенно, поэтому нагрузка может быть активной или активно-индуктивной (см. рис. 5.4).

Рис.5.4. Автономный инвертор напряжения

Рассмотрим работу схемы при активно-индуктивной нагрузке. В момент t₁ начинают проводить тиристоры V1,V2. Под действием приложенного напряжения ток нарастает по экспоненте. В момент t₂ тиристоры V1,V2 выключаются, но ток через нагрузку идет в том же направлении через диоды VD3, VD4 за счет энергии, запасенной в индуктивности, при этом напряжение на нагрузке уже изменило знак, а ток постепенно спадает. В момент t₃ ток равен нулю и включаются тиристоры V3 и V4, полярность напряжения при этом не меняется, а ток меняет направление. Диоды предназначены для возврата реактивной энергии в источник питания. Конденсатор C_d ее воспринимает;

Резонансные (колебательные) автономные инверторы (РАИ). РАИ - это инвертор, на входе и на выходе вентильной группы которого ток прерывистый, а форма напряжения на выходе определяется нагрузкой (см. рис. 5.5).

Рис.5.5. Автономный резонансный инвертор

В РАИ должно выполняться условие:

R_н<2√L_d/C_d

При выполнении условия процессы при включении тиристоров носят колебательный характер. При включении V1 и V2 проходит полуволна тока и конденсатор C_к заряжается с указанной полярностью. После перехода тока через нуль тиристор запирается. При включении V3 и V4 напряжение источника и напряжение на конденсаторе Cк действуют согласно, ток проходит в противоположном направлении, конденсатор перезаряжается, V3 и V4 запираются при спаде тока до нуля. Напряжение на нагрузке R_н повторяет форму тока.

Как видно из описания работы в РАИ могут работать обычные (незапираемые) тиристоры.

По применяемым вентилям АИ делятся:

• на АИ на вентилях с неполным управлением (обычных тиристорах);
• на АИ на вентилях с полным управлением (транзисторах и запираемых тиристорах.

По способу коммутации АИ на незапираемых тиристорах делятся:

• на АИ с одноступенчатой коммутацией, в которых коммутация осуществляется с помощью коммутирующих конденсаторов основными вентилями схемы без применения дополнительных тиристоров;
• на АИ с двухступенчатой коммутацией, в которых для коммутации применяются специальные коммутирующие вентили.

По месту включения коммутирующих конденсаторов АИ с одноступенчатой коммутацией делятся:

• на параллельные АИ (коммутирующие конденсаторы включены параллельно нагрузке);
• на последовательные АИ (коммутирующие конденсаторы включены последовательно с нагрузкой).

В электроприводе в настоящее время наибольшее применение находят АИН на IGBT транзисторах.

Выпрямители трехфазного тока находят широкое применение в различных производственных схемах, так как питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится, в основном, от трехфазных (или эквивалентных многофазных) схем выпрямления.

Применение трехфазных схем выпрямления позволяет:

1. Создать равномерную нагрузку на все три фазы сети;

2. Уменьшить пульсации выпрямленного напряжения;

3. Уменьшить расчетную мощность вентильного трансформатора

4. Повысить коэффициент мощности.

Трехфазная нулевая схема применяется довольно редко, поскольку в ней хуже используется трансформатор, а вентили должны выбираться на относительно высокое обратное напряжение. Но так как важнейшая преобразовательная схема – трехфазная мостовая (схема Ларионова) – состоит из двух нулевых схем, первоначально рассмотрим принцип действия выпрямления трехфазного тока на примере этой схемы.

 

С нулевым выводом

 

На рис. 4.1 приведена трехфазная нулевая неуправляемая схема выпрямления. При замене в схеме диодов на тиристоры получается управляемый выпрямитель.

В схему входит трансформатор со вторичными обмотками, соединенными звездой. Выводы вторичных обмоток соединены с анодами 3-х вентилей. Нагрузка включается между общей точкой соединения катодов вентилей и нулевым выводом вторичных обмоток трансформатора.

На рис. 4.1,б показана трехфазная система вторичных напряжений трансформатора относительно нулевой точки (система фазных напряжений u_а, u_b, и u_c). Из-за способа подключения нагрузки вентили могут проводить ток только при положительной полярности вторичных напряжений.

 

 

Рис. 4.1. Схема трехфазного нулевого выпрямителя (а) и временные

диаграммы, характеризующие работу схемы при активной нагрузке (б – ж)

 

Но в открытом состоянии может находиться только один из вентилей, тот вентиль, для которого фазное напряжение выше, чем у двух других. На интервале υ₁ – υ₂ в открыт вентиль В₁, на интервале υ₂ – υ₃ открыт вентиль В₂, на интервалеυ₃ – υ₄ – В₃, затем вновь вентиль В₁ и т.д. Следовательно, интервал проводимости каждого вентиля составляет ψ = (рис.4.1, б). Моменты υ₁, υ₂, υ₃, соответствующие точкам пересечения двух синусоид вторичных напряжений, являются точками (моментами) естественного отпирания очередного вентиля.

В открытом состоянии вентиль подключает напряжение соответствующей фазы к нагрузке и на ней действует однополярное пульсирующее напряжениеu u_d, состоящее из участков фазных напряжений u_a, u_b, u_c (рис.4.1,в).

При работе выпрямителя на чисто активную нагрузку, кривая тока ι_d = u_d/3 имеет ту же форму, что и напряжение u_d (рис. 4.1, в). Кривые анодных токов соответствуют указанной очередности отпирания вентилей (рис. 4.1, г-е).

Исходными данными для расчета схемы, как и при расчете однофазных выпрямителей, являются значения U_d, I_d (R_н), U₁.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d определяют по заштрихованной площадке (рис. 4.1,в)

U_d = , (4.1)

 

где U₂ – действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Отсюда

U₂ = = 0,85U_d. (4.2)

Данная схема имеет лучшие показатели по соотношению величин U_d и U₂ по сравнению с однофазной схемой. Лучшие показатели имеет трехфазная схема и в отношении коэффициента пульсации и частоты пульсаций выпрямленного напряжения:

, f_(п)1 = mf_с = 150 Гц.

 

Средний ток вентиля I_a и максимальный ток I_amax, соответственно равен

I_a = , I_amax = I_d, (4.3)

где I_d = U_d / R_н – среднее значение тока нагрузки.

Напряжение на вентиле зависит от разности потенциалов между анодом и катодом. Рассмотрим кривую обратного напряжения на вентиле В1 (рис. 4.1, ж). Изменение потенциала анода В1 определяется фазным напряжением u_а, а катода – изменением фазного напряжения u_b (при проводящем вентиле В2) или изменением фазного напряжения u_c (при проводящем вентиле В3). Следовательно, обратное напряжение u_b1 состоит из участков кривых линейных напряжений u_ba и u_ca, поэтому максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного вторичного напряжения трансформатора

 

U_bmax = 2,09U_d. (4.4)

 

Токи вторичных обмоток вентильного трансформатора ι_2а, ι_2b, ι_2с определяются соответствующими токами вентилей, т.е. ι₂ = ι_а. Кривые анодных токов вентилей содержат постоянную составляющую, равную I_d / 3. Протекая через вторичные обмотки трансформатора, постоянная составляющая создает в каждом из трех стержней магнитопровода однонаправленный поток вынужденного подмагничивания трансформатора, из-за чего увеличивается намагничивающий ток трансформатора.

Постоянная составляющая тока не трансформируется в первичную обмотку, поэтому мгновенные значения фазных токов первичной обмотки трансформатора, соединенной в треугольник, определяются соотношениями:

 

ι_1А = (ι_2а - ) ; ι_1B = (ι_2b - ) ; ι_1C = (ι_2c - ) ;

или

ι₁ = (ι₂ - ) . (4.5)

 

Определим действующие значения токов I₁ и I₂ при активно-индуктивной нагрузке выпрямителя (L → ∞), характерной для выпрямителей средней и большой мощности

 

I₂ = (4.6)

 

I₁ = , (4.7)

 

где ι₁ – соответствует (4.5).

Расчетные мощности первичных и вторичных обмоток трансформатора и типовая мощность всего трансформатора равны:

 

S₁ = 3U₁I₁ = = 1,21P_d, (4.8)

S₂ = 3U₂I₂ = =1,48P_d, (4.9)

S_т = =1,345P_d. (4.10)

 

Наличие постоянной составляющей является одним из существенных недостатков трехфазной схемы с нулевым выводом, поскольку может привести к насыщению магнитопровода. Во избежание насыщения, приходится или увеличивать сечение магнитопровода (а, следовательно, и габариты трансформатора) или использовать более сложную конструкцию трансформатора. Например, на каждом стержне магнитопровода располагают две вторичные обмотки, включенные таким образом, что при протекании тока через них возникает разнонаправленный магнитный поток. При этом постоянная составляющая потока в каждом стержне магнитопровода трансформатора (поток вынужденного подмагничивания) будет отсутствовать.Все это ограничивает применение данной схемы в установках большой мощности.

Лучшие результаты дает применение трехфазной мостовой схемы, в которой, как составная часть используется трехфазная нулевая схема.

 

Сглаживающие фильтры

 

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсации напряжения питания для усилительных каскадов автоматических систем регулирования не должен превышать 10^-2 10^-3; а для входных каскадов электронных измерительных приборов – 10^-4 10^-5.

Сглаживающие фильтры (СФ) включают между вентильной группой и стабилизатором постоянного напряжения с нагрузочным устройством R_н.

Основными элементами СФ являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного тока сопротивление конденсатора стремится к бесконечности, а сопротивление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на 2 -3 порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Эффективность СФ характеризуется коэффициентом сглаживания, который равен отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе:

Ёмкостные фильтры включают параллельно нагрузочному резистору R_н. В момент времени, когда U₂>U_C, конденсатор разряжается, заполняя паузу.

Рисунок 15.7 - Схема ёмкостного фильтра с мостовым выпрямителем (в) и

динамическая диаграмма напряжения и тока (г)

 

Индуктивный фильтр (ИФ) включают последовательно с нагрузочным резистором R_н, а коэффициент пульсации, равный , уменьшается благодаря увеличению длительности импульса. ИФ обычно применяют в трёхфазных выпрямителях средней и большой мощности, то есть в выпрямителях, работающих на нагрузочное устройство с большими токами.

Г – образные фильтры являются простейшими многозвенными фильтрами. Они могут быть LC – типа и RC – типа:

Рисунок 15.8 - Схемы Г – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтра (б)

 

Эти фильтры обеспечивают значительно большее уменьшение коэффициента пульсаций, что объясняется совместными действиями индуктивной катушки и конденсатора.

Коэффициент сглаживания L_Ф и С_Ф задаются при расчетах. При

П – образные фильтры являются многозвенными фильтрами, содержащими ёмкостные фильтры и Г – образные фильтры.

Рисунок 15.9 - Схемы П – образных LC – фильтра (а) и RC – фильтр (б)

 

Их коэффициент пульсаций равен приближённо произведению коэффициентов сглаживания составных фильтров (ёмкостного и Г – образного).

Электронные фильтры. В электронных фильтрах вместо дросселей включают транзисторы. Эти фильтры снижают пульсации в 3 -5 раз, так как сопротивление промежутка коллектор – эмиттер постоянному току на два – три порядка меньше сопротивления этого же промежутка переменному току.

Рисунок 15.10 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в коллекторную цепь

Рисунок 15.11 - Схема последовательного транзисторного фильтра с включением

нагрузки в эмиттерную цепь

 

Здесь фильтр построен на эмиттерном повторителе, что позволяет получить низкое выходное сопротивление выпрямителя на нагрузке, т.е. этот фильтр малочувствителен к изменению тока нагрузки.

 

Рисунок 15.12 - Схемы параллельного транзисторного фильтра на одном транзисторе (а),

на составном транзисторе (б) и на операционном усилителе (в)

Применение ИМС (операционных усилителей) еще больше закрывают составной транзистор, то есть еще больше уменьшают выходную проводимость (в составном транзисторе несколько транзисторов включают в коллекторную цепь друг друга последовательно).

Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нём

1 – U_н.х. – это U при I_Н=0; 2 – ёмкостной фильтр; 3 – Г – образный RC – фильтр

 

Рисунок 15.13 - Внешние характеристики выпрямителя

 

Управляемые выпрямители

Часто от выпрямителей требуется не только преобразовать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществить либо в цепи переменного тока (регулируемые трансформаторы, реостаты, имеющие низкий КПД); либо в цепи выпрямленного тока, что более экономично и удобно. Управляемыми выпрямителями называют выпрямители, у которых управление выпрямленным током (напряжением) происходит в процессе выпрямления.

Основными элементами современных управляемых выпрямителей являются транзисторы и тиристоры. Ниже на рисунке 15.19представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению моментом открытия (включения) тиристора. Это осуществляется путём сдвига фаз между анодным напряжением тиристора и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления и обозначают α, а способ управления называют фазовым.

 

 

Рисунок 15.19 - Схема (а) и диаграммы изменения во времени напряжений и тока (б)

однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя

 

Управление значением угла α осуществляют с помощью фазовращающей R₂С – цепи, которая позволяет изменить угол управления от 0 до 180 ⁰. При этом значение выпрямленного напряжения может изменяться от наибольшего его значения до нуля (для α = 0 – 90 ⁰ значение выпрямленного напряжения изменяется от наибольшего значения до его половины). Резистором R₁ изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных однополярных импульсов.

Оптимальной формой управляющего сигнала для тиристора является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в необходимых пределах.

На рисунке 15.20изображена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).

 

Рисунок 15.20 - Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

с импульсно-фазовым управлением

 

Сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению производится вручную с помощью мостового фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя поступает на вход усилителей-ограничителей, причём, отрицательные полуволны этого напряжения срезаются VD1, VD2. Усиленное напряжение дифференцируется цепочками С₁R₁, С₂R₂; а диоды VD3, VD4 делают их однополярными (положительными).

Трёхфазные управляемые выпрямители – это выпрямители средней и большой мощности. Работу такого выпрямителя иллюстрирует схема выпрямителя с нулевым выводом. Изменение угла управления в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению средних значений выпрямленных напряжений и тока.

 

Рисунок 15.21 - Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)

трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом

 

На рисунке 15.22 приведена схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров.

 

Рисунок 15.22 - Схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя

 

Тиристоры VS1 – VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4 – VS6 - в анодную группу. Так же как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один – из анодной группы, другой – из катодной группы. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180 ⁰ управляющий сигнал, поступающий на тиристор анодной группы. В отличие от трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом режим «прерывистого» тока возникает при

α > π/3.

Инверторы

Инверторы классифицируют по ряду признаков:

- по типу коммутирующих устройств (тиристорные и транзисторные);

- по принципу коммутации (ведомые питающей сетью и автономные инверторы);

- по роду преобразуемой величины (инверторы тока и инверторы напряжения).

Тиристорные инверторы – это инверторы большой мощности; транзисторные инверторы выполняют на малую и среднюю мощность, не превышающую нескольких киловатт.

Инверторы, ведомые сетью, осуществляют преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

На рисунке 15.23 представлена схема такого инвертора, являющегося однофазным двухполупериодным инвертором с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Инвертор, ведомый сетью, может работать как выпрямитель, если угол управления α < 90 ⁰(рисунок15.23 б). При α = 90 ⁰ среднее значение напряжения равно нулю.

Для передачи электроэнергии, вырабатываемой источником Е, в сеть переменного тока необходимо, чтобы ток i₁ и напряжение u₁ находились в противофазе. Это возможно, если тиристоры поочерёдно будут открываться при отрицательной полярности напряжений u_2a и

u_2b, т.е. происходит поочерёдное подключение вторичных обмоток трансформатора к источнику Е. Однако, если очередной тиристор открывать точно при угле управления

α =180 ⁰, то в такой ситуации второй тиристор не успевает закрыться (ему необходимо для этого определённое время) и создаёт короткое замыкание по цепи вторичной обмотки трансформатора, электрическое сопротивление которой очень мало.

Это явление называют срывом инвертирования или опрокидыванием инвертора. Для устранения срыва инвертирования делают угол управления α меньше 180 ⁰ на угол, называемый углом опережения открытия тиристора. Закрытие и открытие тиристоров происходит под действием напряжения вторичной обмотки трансформатора, создаваемого сетью переменного тока. Отсюда и термин инвертор, ведомый сетью.

 

Рисунок 15.23 - Схема однофазного двухполупериодного инвертора, ведомого сетью,

работающего выпрямителем (а); и графики изменения изменения

напряжении во времени при фиксированных углах управления α.

 

 

Инверторы, ведомые сетью, часто используют на электрическом транспорте. При обычном движении электропоезда машины постоянного тока работают как двигатели, питающиеся от выпрямителя, а при торможении они превращаются в генераторы, отдающие электроэнергию в сеть переменного напряжения. Такой процесс называется рекуперацией.

Наиболее экономичным является применение так называемых реверсивных преобразователей. В этом случае тиристоры инвертора включают в две трёхфазные группы обмоток I и II, которые соединены «зигзагом». Выходы преобразователей соединяют с зажимами машины постоянного тока встречно, т.е. нейтральную точку О₁ группы обмоток I подключают к зажиму «-«машины, а нейтральную точку О₂ группы обмоток II - к зажиму «+». При таком соединении группа обмоток I работает в выпрямительном режиме, а группа обмоток II – в инверторном режиме, который обеспечивает генераторное торможение двигателя. Для изменения направления вращения двигателя (реверс) изменяют функции групп обмоток: I группа обмоток работает как инвертор, а II группа – как выпрямитель.

Для обеспечения надёжной работы реверсивного преобразователя нельзя допускать увеличения напряжения генератора постоянного тока и уменьшения напряжения сети переменного тока. В противном случае, увеличится время коммутации тиристоров, что может привести к короткому замыканию через обмотки трансформатора. Таким образом, в реверсивном преобразователе необходимы регуляторы напряжения питающей сети и напряжения генератора постоянного тока.

 

Рисунок 15.24 - Схема реверсивного преобразователя для электропривода

постоянного тока

 

Автономные инверторы осуществляют преобразование постоянного тока в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работают на автономную нагрузку.

Автономные инверторы применяют в тех случаях, если необходимо:

1) Получить переменный ток требуемой частоты, когда источниками питания являются устройства прямого преобразования энергии – топливные элементы, МГД – генераторы, термо- и фотоэлектрические генераторы, контактная сеть электрического транспорта постоянного тока, аккумуляторы и т.д.;

2) преобразовать переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты, например, в частотных преобразователях для асинхронных и синхронных двигателей;

3) получить переменный ток высокой частоты для электротермических установок, с помощью которых плавят металлы, нагревают и закаливают изделия, производят сушку зерна и зерновых продуктов и т.д.

Автономные инверторы классифицируют как автономные инверторы тока (АИТ),

автономные инверторы напряжения (АИН) и автономные резонансные инверторы (АИР). В АИТ источник питания работает в режиме источника тока, в АИН источник питания работает в режиме источника напряжения, а в АИР источник питания работает в режиме резонанса токов или напряжений.

Для устойчивой работы АИТ используют «отсекающие» диоды, схема такого инвертора представлена ниже. Диоды используют для недопущения работы инвертора в режиме холостого хода. Они включены между конденсатором С_К и первичной обмоткой трансформатора и исключают возможность разряда конденсатора через трансформатор.

Рисунок 15.25 - Схема автономного инвертора тока с «отсекающими» диодами

 

Для улучшения формы выходного переменного напряжения применяют мостовые инверторы. Схема однофазного мостового инвертора показана ниже.

 

Рисунок 15.26 - Принципиальная схема однофазного автономного инвертора напряжения

 

Тиристоры в этой схеме включаются попарно через активно-индуктивную нагрузку Z_Н. При переключении тиристоров ток через нагрузку плавно уменьшается до нуля какое-то время и лишь затем ток меняет своё направление на обратное. В этот период времени работавшие тиристоры уже закрыты, а другая пара тиристоров уже открыта и существующий ток нагрузки для них имеет противоположное направление, что может привести к повреждению тиристоров. Включённые параллельно тиристорам в обратном направлении диоды как раз и предназначены для того, чтобы пропустить этот обратный ток нагрузки. Поэтому диоды называют обратными.

 

Конверторы

Конвертором называют преобразователь постоянного тока одного напряжения в постоянный ток, имеющий другое значение напряжения.

В основном применяют два типа конверторов:

1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;

2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением бывают малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена ниже.

 

Рисунок 15.27 - Структурнаясхема преобразователя постоянного

напряжения с самовозбуждением

 

Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до нужного значения. После выпрямления в выпрямителе В оно подаётся на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка Z_Н.

В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы с общим эмиттером, включаемым по двухтактной схеме.

 

Рисунок 15.28 - Релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы

с трансформаторной положительной обратной связью

 

Для обеспечения прямоугольной формы генерируемых колебаний материал магнитопровода трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. Частота переменного тока на выходе релаксационного генератора может достигать значений близких к 50 кГц. Поэтому силовые диоды для выпрямителя необходимо выбирать с учётом частоты переменного тока. В противном случае при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами диоды теряют свои выпрямительные свойства и возможна потеря работоспособности конвертора.