Преобразовательная техника

u		E L	di
			d
	d	d	dt

Будем считать, что

Rd id	id	1		di
			ud Ld	d	E .
	R			dt
		d
Ld , тогда		id Id const			, значит, падение

напряжения на активном сопротивлении постоянно, следовательно, переменная составляющая выпрямленного напряжения падает на индуктивности Ld, т. е. можем написать:

Ud Rd Id E – постоянная составляющая выпрямленного напряжения;

u		U		L	di
					d
	d		d	d	dt

– переменная составляющая выпрямленного напря-

жения.

Тогда средний выпрямленный ток определяется равенством

Id

	U	d	E
		R
			d

.

Таким образом, наличие при индуктивной нагрузке ( Ld

противо-ЭДС в цепи выпрямленного тока) влияет лишь на величину среднего

выпрямленного тока. Формы кривых тока нагрузки, вентилей, тока, потребляемого из сети, остаются такими же, как и в случае индуктивной нагрузки без противо-ЭДС.

2.7. Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

В выпрямителях малой мощности для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения часто применяются емкостные сглаживающие фильтры, представляющие собой в простейшем варианте конденсатор С, включаемый параллельно нагрузке (рис. 2.11, а). Конденсатор вносит ряд существенных особенностей в работу выпрямителя по сравнению с чисто активной нагрузкой. Рассмотрим эти особенности подробнее.

Согласно второму закону Кирхгофа, для контура, по которому замыкается ток вторичной обмотки трансформатора, являющийся в каждый момент времени также током диодов и током нагрузки ( i2 ia id ), можно

записать уравнение, которое будет справедливо для любого момента времени:

u2 uVD ud .

Отсюда напряжение на диодах

uVD u2 ud .

31

Из последнего равенства очевидно, что при u2 крыт, а при u2 ud диод будет закрыт (рис. 2.11, б).

ud	диод будет от-

Заметим также, что

напряжение на нагрузке – это напряжение на конденсаторе (

ud

uC

). В те

интервалы времени, когда соответствующая пара диодов открыта, происходит заряд конденсатора и напряжение нагрузки возрастает. В интервалы времени, когда все диоды закрыты, конденсатор разряжается на нагрузку, поддерживая в ней ток.

а)

u2

ud

Rd

С

б)	ud	без фильтра	ud с фильтром
			Ud
			Uобр.m
			θ
		λ
		π	u2

Рис. 2.11. Схема и временные′ диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при активно-емкостной нагрузке:

а – схема выпрямителя; б – временные′ диаграммы

Из рис. 2.11, б видно, что наличие емкости в цепи выпрямленного тока приводит к следующим изменениям в работе выпрямителя по сравнению с чисто активной нагрузкой:

1.Увеличивается среднее значение выпрямленного напряжения.

2.Уменьшается диапазон пульсаций выпрямленного напряжения, т. е. уменьшается коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (частота пульсаций не изменяется).

3.Увеличивается максимальное обратное напряжение на диодах.

4.Уменьшается интервал открытого состояния диодов .

5.При увеличении нагрузки (уменьшении активного ее сопротивления) выпрямленное напряжение будет падать интенсивнее за счет уменьшения постоянной времени цепи разряда конденсатора, поэтому внешняя характеристика выпрямителя с фильтром будет более круто падающей.

32

6. При одинаковом среднем токе нагрузки в схеме с емкостным фильтром амплитуда импульсов анодного тока диодов будет существенно больше.

2.8. Трехфазный выпрямитель с нулевым выводом при активной нагрузке

Перейдем к рассмотрению схем трехфазных выпрямителей. Для упрощения анализа вновь будем считать, что они работают на чисто активную нагрузку.

Выпрямители трехфазного тока имеют существенные преимущества по сравнению с однофазными выпрямителями, поскольку позволяют:

1)равномерно нагрузить трехфазную питающую сеть;

2)повысить качество выпрямленного напряжения;

3)лучше использовать трансформатор.

В схеме с нулевым выводом диоды подключаются анодами к выводам вторичной обмотки силового трансформатора, а катоды их объединяются в общую точку. Иногда говорят, что диоды при этом образуют катодную группу (соединены катодами). Нагрузка подключается между общей точкой диодов и нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.12, а). Заметим, что диоды могут быть соединены между собой и анодами (образовывать анодную группу), а катоды их при этом подсоединяются к выводам вторичной обмотки трансформатора. Принципиальных отличий в работу и расчет схемы это не вносит.

Схема соединения диодов в выпрямителе определяет порядок их работы. На рис. 2.12, а диоды соединены в катодную группу, поэтому в каждый момент времени будет открыт тот диод, потенциал анода которого наиболее положителен (заметим, что в том случае, когда диоды образуют анодную группу, в любой момент времени будет открыт тот диод, потенциал катода которого наиболее отрицателен). Временные диаграммы изменения напряжений и токов в трехфазном выпрямителе с нулевым выводом приведены на рис. 2.12, б.

Установим основные расчетные соотношения для трехфазной схемы выпрямления с нулевым выводом.

1. Среднее значение выпрямленного напряжения:

					3			3U2 m	sin 3
		1									3 3
	Ud			3		U2 m cos d							U2 m 1,17U2 .
								2
		2							3		2
					3

33

2. Среднее значение выпрямленного тока:

							3
	1
Id				3			Id
	2
							3

3. Средний ток треть периода):

3

3

cos d

I

0,83 I

I

1, 21I

.

m

d m

d m

d m

d

2

через диод (интервал открытого состояния диода –

Ia 13 Id .

б) u2ф

uа ub

uc

а)

A B C

U2m

θ

0

2π ud

Rd	ud
		a	b	c
id		VD2
	VD1		VD3

	Ud	Udm
id		θ

катодная группа	Id	Idm
	uVD	θ
		θ
		Uобр.m = U2m

Рис. 2.12. Схема и временные′ диаграммы работы трехфазного выпрямителя

снулевым выводом:

а– схема выпрямителя; б – временные′ диаграммы

34

4. Максимальное обратное напряжение на диодах представляет собой амплитуду линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U

3U

3

2 U

6

U

обр.m

2 m

2

1,17

d

2, 09Ud

.

5. Частота и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения:

f	п	3 f	с	;

	q	2
		2	1
	m

0, 25

.

6. Расчетные параметры трансформатора.

Действующие значения фазных токов во вторичной и первичной обмотках трансформатора (примем без вывода):

I I

2 d

	0,		I
		585;	1
			I
			d

0, 476 kт

.

Расчетная мощность первичной обмотки трансформатора:

S	3U	I	3k	U	I
1	1	1	т	2	1

1, 22U I	d
d

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:

S	2	3U	2	I	2

1, 48U I	d
d

.

Расчетная мощность трансформатора, определяемая как полусумма мощностей первичной и вторичной обмоток:

Sт

0,5 S	S	2
1

1,35U I	d
d

.

Отметим, что во вторичной обмотке трансформатора токи протекают всегда в одном направлении, которое определяется «направлением» включения диодов. На схеме рис. 2.12 фазные токи вторичной обмотки будут протекать от нулевой точки к выводам A, B, C. Это приводит к тому, что фазные токи вторичной обмотки будут иметь постоянную составляющую, которая подмагничивает сердечник трансформатора. В результате увеличивается ток холостого хода трансформатора, который при насыщении сердечника становится несинусоидальным. Несинусоидальная форма тока, потребляемого из сети, приводит к возрастанию потерь мощности от высших гармоник и может привести к искажению формы питающего напряжения. Для того чтобы избежать подмагничивания сердечника, применяют специальные меры (например, соединение вторичных обмоток трансформатора в зигзаг).

35

2.9. Трехфазный мостовой выпрямитель при активной нагрузке

Схема трехфазного мостового выпрямителя (рис. 2.13, а) содержит две группы диодов – катодную (VD1, VD3, VD5) и анодную (VD2, VD4, VD6). Значит, в каждый момент времени открыты будут два диода – по одному из каждой группы. В катодной группе открыт будет тот диод, потенциал анода которого наиболее положителен, а в анодной – тот диод, потенциал катода которого наиболее отрицателен. Таким образом, в каждый момент времени к нагрузке будет приложено линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора. Временные диаграммы изменения напряжений в трехфазной мостовой схеме приведены на рис. 2.13, б.

				б) u2ф	uа ub uc
а)	A	B	C		U2m
					θ
				анодная	2π
катодная
группа				группа
	a	b	c	ud
					Udm = U2m
VD1				VD4
					Ud
VD3				VD6

VD5		VD2
	ud		θ
		uVD
			θ
id	Rd	Uобр.m=	U2m

Рис. 2.13. Схема и временные′ диаграммы работ трехфазного мостового выпрямителя:

′

а – схема выпрямителя; б – временные диаграммы

Установим основные расчетные соотношения для этой схемы выпрямления.

1.Среднее значение выпрямленного напряжения (необходимо иметь

ввиду, что в любой момент времени нагрузка подключается под линейное напряжение вторичной обмотки трансформатора, что обусловливает мно-

житель 3 под знаком интеграла):

36

	1				6		3		3
Ud	2		6			3U2 m cos d				U2 m
					6

2. Среднее значение выпрямленного тока:

2, 34U2

.

	1				6		3
Id	2		6			Idm cos d		Idm Idm
					6

3. Средний ток, проходящий через диод:

3

Id

.

Ia 13 Id .

4. Максимальное обратное напряжение на диоде, как и в нулевой схеме, представляет собой амплитуду линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Uобр.m

	3U
	2m

1,05Ud

.

5. Частота и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения:

	q	2			0, 057;	fп 6 fс .
		m2	1

6. Расчетные параметры трансформатора.

Действующие значения фазных токов вторичной и первичной обмоток трансформатора:

I I

2 d

	0,817;	I
		1
		I
		d

0,817 kт

.

Расчетная мощность трансформатора:

Sт

0,5 S	S	2
1

1, 05U I	d
d

.

По сравнению с трехфазной схемой с нулевым выводом, мостовая схема обеспечивает лучшее качество выпрямленного напряжения и требует меньшей расчетной мощности трансформатора.

По сравнению с однофазными схемами выпрямления, трехфазные выпрямители обеспечивают меньшее содержание высших гармонических составляющих в кривой выпрямленного напряжения и тока, потребляемого из сети, а также лучшее использование диодов и трансформатора. Трехфазные выпрямители получили широкое распространение в электроуста-

37

новках большой и средней мощности. В частности, выпрямительные установки тепловозов с электрической передачей переменно-постоянного тока, выпрямительные агрегаты тяговых подстанций электрифицированных железных дорог постоянного тока выполняются на основе трехфазных мостовых выпрямительных схем.

2.10.Последовательное и параллельное соединение вентилей

ввыпрямителях

В мощных выпрямителях рабочие токи и напряжения могут быть больше, чем номинальные (паспортные) значения прямого тока и обратного напряжения конкретного типа вентилей, выбранных для сборки схемы выпрямления. В таких случаях применяют последовательное и/или параллельное соединение вентилей.

Параллельное соединение вентилей предназначено для увеличения суммарного прямого тока. Однако при этом, в силу неодинаковости прямых ветвей вольт-амперных характеристик (ВАХ) вентилей, возможно неравномерное распределение тока между параллельно включенными вентилями (рис. 2.14). Это может привести к повышенному нагреву вентилей в одной из параллельных ветвей и преждевременному их выходу из строя.

Для выравнивания токов между параллельными ветвями можно осуществлять подбор вентилей по их вольт-амперным характеристикам. При этом различие прямых ветвей ВАХ должно быть таким, чтобы обеспечивать расхождение токовых нагрузок вентилей в пределах допустимых значений. Недостатком такого мероприятия является трудоемкость, поэтому чаще в параллельные ветви включаются незначительные (доли Ома) добавочные сопротивления R или индуктивные делители тока ИДТ (рис. 2.15). Введение добавочных сопротивлений неэкономично, так как связано с потерями мощности в них, поэтому их целесообразно использовать в выпрямителях не очень большой мощности. Индуктивный делитель тока представляет собой реактор со стальным сердечником, на котором расположены обмотки, включенные последовательно с вентилями. Обмотки связаны между собой индуктивной связью: при прохождении токов в обмотках индуктируются такие ЭДС, которые приводят к увеличению меньшего тока и уменьшению большего. В результате действия индуктированных ЭДС токи в параллельных ветвях выравниваются. При работе ИДТ важно, чтобы его сердечник оставался в ненасыщенном состоянии.

Последовательное соединение вентилей предназначено для увеличе-

ния суммарного обратного напряжения, прикладываемого к вентилям. Однако при этом, в силу неодинаковости обратных ветвей ВАХ последовательно соединенных вентилей, возможно неравномерное распределение обратного напряжения между ними (рис. 2.16, 2.17). Это может привести к

38

преждевременному пробою сначала того вентиля, к которому прикладывается наибольшее напряжение, а затем и всех остальных вентилей, включенных последовательно с ним.

Для выравнивания обратного напряжения вентили шунтируются добавочными резисторами Rш. Ток этих резисторов должен быть в 5…10 раз больше обратного тока, протекающего через вентили.

Iпр

1

2
Iпр.1			VD1	VD2
Iпр.2		VD1	VD2
				ИДТ
		R	R
Uпр	Uпр
		Рис. 2.15. Выравнивание токов
Рис. 2.14. Расхождение прямых токов		по параллельным ветвям с помощью
вентилей при параллельном		сопротивлений R и индуктивных делителей
соединении			тока ИДТ

Uобр.1 Uобр.2

Rш

Rш

Uобр 1

2

Iобр
VD1	VD2

Iобр

	Рис. 2.16. Расхождение обратных	Рис. 2.17. Выравнивание обратного
		напряжения добавочными резисторами
	напряжений вентилей
	при последовательном соединении

39

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ. ИНВЕРТОРЫ, ВЕДОМЫЕ СЕТЬЮ

3.1. Понятие об управляемых выпрямителях. Однофазный управляемый выпрямитель

с нулевым выводом при активной нагрузке

Управляемым выпрямителем называется выпрямитель, который позволяет регулировать выпрямленное напряжение. Такие выпрямители выполняются с использованием управляемых полупроводниковых ключей – тиристоров. Отпирание тиристоров происходит в момент подачи отпирающего импульса на управляющие электроды тиристоров. Изменение момента отпирания тиристоров приводит к изменению величины выпрямленного напряжения. Интервал времени между моментом, когда на аноде тиристора появляется положительное напряжение относительно катода, и моментом подачи отпирающего импульса на управляющий электрод тири-

стора называется углом управления или углом регулирования. Очевидно,

что чем больше угол управления (обычно он обозначается α), тем меньше среднее значение выпрямленного напряжения, которое пропорционально площади заштрихованной фигуры (рис. 3.1). Очевидно также, что, в отличие от неуправляемых выпрямителей, управляемые должны быть обязательно снабжены системой управления. В ее задачу входит определение момента времени, когда требуется открыть тиристор, и формирование отпирающего импульса.

Запирание тиристоров в выпрямительных схемах происходит при изменении полярности напряжения на аноде с положительной (плюс на аноде относительно катода) на отрицательную (минус на аноде относительно катода). В однофазных схемах выпрямления изменение полярности напряжения на тиристоре совпадает во времени с изменением полярности питающего напряжения. Такая коммутация носит название естественной коммутации, поскольку не требует никаких дополнительных устройств для запирания тиристоров.

Управляемые выпрямители получили широкое применение в регулируемом электроприводе постоянного тока и различных технологических установках.

Для простоты дальнейшего изложения ограничимся рассмотрением однофазных управляемых выпрямителей.

Рассмотрим сначала однофазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом, работающий на активную нагрузку (рис. 3.2). Установим для этой схемы основные расчетные соотношения.

40