Однофазный мостовой неуправляемый выпрямитель

 

В схему выпрямителя (рис. 17, а) входят силовой трансформатор с одной вторичной обмоткой и выпрямительный мост из четырех диодов VD₁-VD₄. Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис. 17, в). Это получается в результате поочередного отпирания ди­одов VD₁, VD₂ и VD₃, VD₄.

 

Однофазный мостовой выпрямитель

Рис. 17. Схема однофазного мостового выпрямителя (а)

и его временные диаграммы (б-ж)

 

Диоды VD₁, VD₂ открыты на интер­вале при полуволне напря­жения u₂ положительной полярности (показана на рис. 17, а без скобок), создаваемого под действием напряже­ния и₁ (рис. 17, б, в). Открытые диоды VD₁, VD₂ обеспечивают связь вторичной обмотки трансформатора с нагрузкой, создавая на ней напряже­ние и_d той же величины и полярнос­ти, что и напряжение u₂ (рис. 17, в). При наличии полуволны напря­жения u₁ отрицательной полярности на интервале полярность напряжения u₂ обратная. Под ее воз­действием открыты диоды VD₃, VD₄, под­ключающие напряжение u₂ к нагруз­ке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рис. 17, а, в). Ввиду идентичности кривых u_d для выпрямителей (мостового и с выводом нулевой точки трансформа­тора) для схемы рис. 17, а дейст­вительны соотношения (19), (20) между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением на­пряжения U₂ и соотношения (22)-(24), характеризующие гармониче­ский состав и коэффициент пульса­ции выходного напряжения. Все параметры схемы сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен в [1, 2].

Поскольку ток I_d = U_d/R_H (рис. 17, г) распределяется поровну меж­ду парами диодов (рис. 17, д, e)

Обратное напряжение приклады­вается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале про­водимости двух других диодов. При этом оно создаётся напряжением вторичной обмотки трансформатора u₂. Кривая u_b для диодов VD₁ VD₂ показана на рис. 17, ж. Мак­симальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂ (табл. 3), т. е. оно вдвое меньше, чем в схеме с выводом нулевой точки.

В рассматриваемой схеме параметры первичной обмотки I₁, U₁ связаны соответственно с параметрами вторичной об­мотки I₂, U₂ коэффициентом трансформации n. В соответствии с этим расчетные мощности обмоток получаются одинаковыми и мощность трансформатора S_T=1,23P_d (табл. 3).

Преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение (при данном напряжении U_d), на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов. Поэтому мостовая схема нашла преобладающее применение в выпрямителях однофазного тока небольшой и средней мощности.

 

62. Однофазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выво­дом, выполняемая по аналогии со схемой неуправляемого выпрями­теля (см. рис. 13, а), приведена на рис. 23. Ее анализ будем про­водить для двух видов нагрузки - чисто активной и активно-индук­тивной. Примем вначале нагрузку чисто активной (ключ К₁ включен, ключ К₂ выключен).

 

Однофазный нулевой управляе­мый выпрямителя

Режиму активной нагрузки соответствуют времен­ные диаграммы, приведенные на рис. 24, а-е. Пусть на входе вы­прямителя действует положительная полуволна напряжения сети u₁ (рис. 24, а), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 23 без скобок. На интервале тиристоры Т₁, Т₂ закрыты, напряжение на выходе выпрямителя u_d=0 (рис. 24, в). К тиристорам Т₁, Т₂ прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора u_2-1+u_2-2 На тиристоре Т₁ действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре Т₂ - в обратном. Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинако­выми, то на интервале напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определяться величиной (u_2-1—u_2-2)/2 = u ₂ (рис. 24, е).

В момент времени определяемый углом , от системы управле­ния СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т₁ (рис. 24, б). В результате отпирания тиристор Т₁ под­ключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение u_d (рис. 24, в), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку и тиристор Т₁ протекает ток (рис. 24, г) i_d = i_al = u_d/R_н. При переходе напряжения питания через нуль () ток тиристора Т₁ становится равным нулю и ти­ристор закрывается.

На интервале полярность напряжения питания из­меняется на противоположную. На этом интервале оба тиристора вы­прямителя закрыты. К тирис­тору Т₁ (рис. 24, е) приклады­вается обратное напряжение, а к тиристору Т₂ - прямое на­пряжение, равное Т₂.

 

Временные диаграммы

Временные диаграммы, иллю­стрирующие принцип действия одно­фазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом при чисто активной нагрузке.

По окончании указанного ин­тервала подается отпирающий импульс на тиристор Т₂. Отпи­рание этого тиристора вызывает приложение к нагрузке напря­жения u_d=u_2-2=u₂ (рис. 24, в) той же формы, что и на интервале проводимости тирис­тора Т₁. Через нагрузку и ти­ристор протекает ток i_d = i_a2 = u_d/R_н (рис. 24, д). На ин­тервале проводимости тиристора Т₂ напряжения двух вторичных обмоток трансфор­матора подключаются к тирис­тору Т₂, вследствие чего с мо­мента отпирания тиристора Т₂ на тиристоре Т₁ действует об­ратное напряжение, равное 2u₂ (рис. 6.2, е). Максимальному обратному напряжению соот­ветствует значение U_bmax=2 U₂, где U₂ - действую­щее значение вторичного напря­жения трансформатора. В по­следующем процессы в схеме следуют аналогично рассмот­ренным. Токи вторичных об­моток трансформатора опреде­ляются токами тиристоров Т₁, Т₂ (рис. 24, г, д). Первичный ток i₁ (рис. 24, а) связан с вто­ричными токами коэффициен­том трансформации трансформатора и имеет паузы на интервалах . Его первая гармо­ника имеет фазовый сдвиг в сторону отставания относительно напря­жения питания.

Особенностью управляемо­го выпрямителя является его способность регулировать среднее зна­чение выпрямленного напряжения U_d при изменении угла (рис. 24, в). При = 0 кривая выходного напряжения u_d соответст­вует случаю неуправляемого выпрямителя (см. §7) и напряжение максимально. Углу управления (180 эл. град) отвечают u_d = 0 и U_d = 0. Иными словами, управляе­мый выпрямитель при изменении угла от 0 до 180 эл. град осуще­ствляет регулирование напряжения U_d в пределах от максимального значения, равного 0,9U₂, до нуля. Вид кривых u_d при различных значениях угла показан на рис. 25, а-г.

Зависимость напряжения U_d от угла называется регулиро­вочной характеристикой управляемого выпрямите­ля. Она определяется из выражения для среднего значения напряже­ния на нагрузке. Это напряжение на интервале соответствует синусоиде вторичного напряжения (см. рис. 24, в или 25, б, в), т. е.

 

.

 

Результат расчета дает

 

,

 

где U_d0 = 0,9U₂ — среднее значе­ние напряжения на нагрузке при .

Кривые выходного напря­жения однофазного выпрямителя при

чисто активной нагрузке и различных углах управления

Регулировочная ха­рактеристика

однофазного уп­равляемого выпрямителя

 

63. Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

 

Особенность работы трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя заключается в задержке на угол момента отпирания очередных тиристоров отно­сительно точек естественного отпирания имеющих координаты и т. д. (рис. 31, б).

 

Трехфазный нулевой управляе­мый выпрямитель

Схема трехфаз­ного нулевого управляемого выпрямителя (а), его временные диаграммы (б) и регулировочная характеристика (в)

В кривой выпрям­ленного напряжения вырезаются участки синусоиды, вследствие чего среднее значение напряжения U_d уменьшается. Таким образом, при измене­нии угла осуществляется регулирование величины U_d.

Влияние изменения угла на кривую u_d и среднее значение на­пряжения U_d показаны на рис. 31, б. Кривая u_d на рис. 31, б, состоит из участ­ков фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора u_a, u_b, u_c.

При изменении угла в диапазоне от 0 до 30° (рис. 31, б) пе­реход напряжения u_d с одного фазного напряжения на другое осу­ществляется в пределах положительной полярности участков фаз­ных напряжений. Поэтому форма кривой напряжения u_d и его среднее значение одинаковы как при активной, так и при активно-индуктив­ной нагрузках. Ток нагрузки непрерывен.

При >30° вид кривой u_d зависит от характера нагрузки (рис. 31, б). Причина зависимости та же, что и в управляемых выпрямителях однофазного тока (см. §12). В случае активно-индук­тивной нагрузки ток i_d продолжает протекать через тиристоры и вто­ричные обмотки трансформатора после изменения полярности их фазного напряжения, в связи с чем в кривой и появляются участки фазных напряжений отрицательной поляр­ности. При эти участки продолжаются до моментов очеред­ного отпирания тиристоров. Равенству площадей участков и условию U_d=0 соответствует угол =90°. Значение этого угла характеризует нижний предел регулирования напряжения U_d при . При активной нагрузке участки напряжения отрицательной полярности отсутствуют и в кривой u_d при > 30° появляются нуле­вые паузы. Напряжению U_d=0 теперь будет отвечать значение угла = 150^o.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла (регулировочная характеристика) при может быть найдена усреднением кривой u_d на интервале 2 :

 

,

 

т. е. она определяется тем же соотношением, что и в однофазных схемах.

Участок регулировочной характеристики при активной нагрузке () на интервале 150° > > 30° находят из выражения

 

.

 

При этом закрытие тиристора происходит в точке, соответствующей нулевому напряжению ранее, чем открытие следующего тиристора. Интервал проводимости тиристора от до π. Ток нагрузки прерывен.

Регулировочные характеристики трехфазного мостового выпрями­теля, построенные по выражениям (59), (60), приведены на рис. 31, в. Неоднозначность регулировочных характеристики и зона прерывистого тока могут быть устранены путем шунтирования нагрузки обратным диодом. Регулировочная характеристика при этом будет аналогична характеристике работы на активную нагрузку, а зона прерывистого тока в нагрузке в пределе будет сужена до нуля за счет замыкания тока в контуре, содержанием э.д.с. нагрузки и обратный диод.