Сравнительная оценка выпрямителей

В табл. 1 приведены основные параметры рассмотренных схем выпрямления. Сравнение схем можно произвести по главным показателям: габаритной мощности, числу диодов, обратному напряжению на диоде и коэффициенту пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная однополупериодная схема наиболее проста, содержит один диод, однако она имеет максимальные значения габаритной мощности трансформатора, коэффициента пульсации и обратного напряжения на диоде, и поэтому она применяется только в выпрямителях со сглаживающими фильтрами или в тех случаях, когда допустимы большие пульсации выпрямленного напряжения.

Таблица 1. Основные параметры выпрямителей с активной нагрузкой

Параметр	Схема выпрямления
однополу- периодная однофазная	двухфазная двух-полупериод- ная с выво­дами средней точки	однофазная однополу-периодная	трехфазная однополу-периодная	трехфазная мостовая при объединении обмоток
Y—Y Δ—Y	Y—Δ Δ—Δ
Действующее значение напряжения вторичной обмотки U2	2,22 U 0	2 1,1 U 0	1,11 U 0	0,85 U 0	0,43 U 0	0,74 U 0
Действующее значение тока вторичной обмотки h	1,57 I 0	0,73 I 0	1,11 I 0	0,58 I 0	0,82 I 0	0,47 I 0
Действующее значение тока первичной обмотки /i	1,21 I 0 п 21	1,11 I 0 п 21	1,11 I 0 п 21	0,48 I 0 п 21	0,82 I 0 п 21	0,47 I 0 п 21
Габаритная мощность трансформатора Рг	3,1 Р0^**	1,48Р0	1,23 Р0	1,35 Р 0	1,05 Р о	1,05Р0
Вынужденное подмагничивание трансформатора	Есть	Нет	Нет	Есть (нет***)	Нет	Нет
Повторяющееся импульсное обратное напряжение на вентиле I обр.и.п	3,14 U0	3,14 U0	1,57 U0	2,09 U0	1,05 U0	1,05 U0
Средний выпрямленный ток диода I пр.ср	I0	0,5 I0	0,5 I0	0,33 I0	0,33 I0	0,33 I0
^Повторяющийся импульсный прямой ток через диод I пр.и.п	3,14 I0	1,57 I0	1,57 I0	1,21 I0	1,05 I0	1,05 I0
Число диодов в схеме N
Частота пульсаций выпрямленного напряжения	fс	2fс	2fс	3fс	6fс	6fс
Коэффициент пульсации по наибдльшей гармонике Kn 01(Kn)	1,57	0,67	0,67	0,25	0,057	0,057

Двухфазная двухполупериодная схема с выводом средней (нулевой) точки трансформатора имеет два диода. Имея ряд преимуществ перед однополупериодной схемой (см. табл.1), данная схема по сравнению с мостовой однофазной схемой выпрямления обладает большими значениями обратного напряжения на диоде и вдвое большим числом витков вторичной обмотки трансформатора; кроме того, конструкция трансформатора усложнена выводом от середины этой обмотки. Несмотря на указанные недостатки, двухполупериодная схема широко применяется в маломощных выпрямителях.

Однофазная мостовая схема выпрямления имеет ряд преимуществ перед двумя названными: обратного напряжения на диоде и напряжения вторичной обмотки; однако необходимость использования четырех диодов является ее недостатком. На практике, правда, может оказаться, что и в двухполупериодной схеме со средней точкой трансформатора необходимо применить тоже четыре диода (для уменьшения обратного напряжения на них), таким образом, указанный недостаток мостовой схемы является не столь ощутимым. Однофазная мостовая и двухполупериодная с выводом нулевой точки схемы выпрямления применяются в маломощных ИВЭП при сравнительно невысоких выходных напряжениях (до 600 В).

 

Зависимый от сети инвертор по двухфазной однополупериодной схеме. Основные соотношения по выбору элементов схемы.

Трехфазный двухполупериодный (мостовой) выпрямитель при идеальных и реальных параметрах элементов схемы. Основные соотношения по выбору элементов схемы. Преимущества и недостатки схемы.

Принцип действия инвертора, ведомого сетью, рассмотрим на примере простейшей схемы, представленной на рис. 5.1. Допустим, что элементы схемы идеальные, а внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи АБ равно нулю.

Рис.5.1. Однополупериодный инвертор

(а - электрическая схема; б и в - диаграммы токов и напряжений на элементах схемы в выпрямительном и инверторном режимах)

Если вывод «плюс» батареи АБ соединен с катодом тиристора VS (как показано на рис. 5.1 штриховой линией), то схема может работать в выпрямительном режиме на нагрузку в виде противоЭДС. В этом режиме включение тиристора VS возможно при условии превышения ЭДС сети e_ab ЭДС, задаваемой аккумуляторной батареей. На рис. 5.1, б представлены диаграммы напряжений и тока, иллюстрирующие работу схемы в выпрямительном режиме. При допущении равенства нулю внутренних сопротивлений источников переменного и постоянного токов можно считать, что их напряжения равны ЭДС, т.е. e_ab = u_ab и E_d = U_d.

При подаче на тиристор управляющего импульса в момент θ = θ₁ определяемый углом управления α, тиристор включается и из сети в батарею АБ начинает поступать ток i_d. Благодаря сглаживающему реактору L_d, ток i_d будет плавно изменяться во времени, увеличиваясь, пока u_ab > U_d, и уменьшаясь при U_d > u_ab. В момент θ₃ (соответствующий равенству заштрихованных площадей на рис. 5.1, б ток i_d становится равным нулю, а тиристор VS выключается. Протекание через тиристор тока i_d на интервале от θ₂ до θ₃, когда U_d > u_ab, обусловлено накоплением электромагнитной энергии в реакторе L_d. Далее рассмотренные процессы периодически повторяются, в результате чего батарея АБ будет заряжаться выпрямленным током (ток i_d направлен навстречу ЭДС, E_d - полюсу батареи).

Для перевода схемы в инверторный режим необходимо переключить тиристор VS или батарею АБ так, чтобы катод тиристора был соединен с выводом «минус» батареи. Рассмотрим инверторный режим более подробно.

Передача энергии от одного источника к другому происходит тогда, когда ток от отдающего источника направлен навстречу ЭДС источника, принимающего эту энергию. В рассматриваемом случае передача энергии в сеть от аккумуляторной батареи будет происходить, когда ЭДС сети eabнаправлена навстречу току i_d. На рис. 5.1, в представлены диаграммы напряжений и тока в элементах схемы для инверторного режима. Если в момент θ₁ на тиристор VS подать управляющий импульс, то тиристор включится, поскольку вплоть до момента θ₂ напряжение u_ab по абсолютному значению меньше напряжения U_d. Под воздействием разности напряжений U_d - u_ab в цепи начнет протекать ток i_d, противоположный по знаку напряжению сетиuab. Наличие в схеме сглаживающего реактора L_d ограничивает скорость нарастания этого тока и его максимальное значение. За счет энергии, накапливаемой в реакторе, ток продолжает протекать через тиристор после того, как напряжение u_ab по абсолютному значению будет больше напряжения U_d и станет равным нулю в момент θ₃, соответствующий равенству заштрихованных областей на рис. 5.1, в.

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.