1.4. Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители (УВ) позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения. В качестве силовых элементов в УВ используют тиристоры. В схемах УВ обычно используют естественную коммутацию, т. е. запирание тиристоров происходит под действием сетевого напряжения.

Регулирование выходного напряжения осуществляется путем задержки включения тиристоров относительно моментов времени их естественного отпирания (фазовое регулирование). Угол задержки отпирания тиристоров называют углом регулирования α. Формирование управляющих импульсов и изменение α осуществляется системой управления выпрямителем.

Работу однофазного УВ рассмотрим на примере однотактной двухполупериодной схемы(рис. 1.17а). При активной нагрузке ключ К замкнут. На интервале 0 < ωt < α (рис. 1.17б) оба тиристора закрыты, так как на VS1 еще не подан управляющий импульс, а VS2 находится под действием обратного напряжения. Напряжение на нагрузке u_d= 0, к тиристору VS1 приложено напряжение u₂₁. На интервале α < ωt < π тиристор VS1 открыт, VS2 – заперт. К нагрузке через открытый VS1 приложено напряжение u₂₁, ток нагрузки замыкается по контуру VS1R_dТр. Напряжение на VS1 равно нулю.

а)

б)

Рис. 1.17

Поскольку нагрузка чисто активная, в момент ωt = π ток через нагрузку и тиристор прерывается и VS1 запирается. На интервале π < ωt < π+α вновь оба тиристора закрыты, u_d= 0, к VS1 приложено напряжение u₂₁. На интервале π+α < ωt < 2π открыт VS2, напряжение на нагрузке u_d= u₂₂, ток протекает в контуре VS2R_dТр. К тиристору VS1 через открытыйVS2 прикладывается напряжение u_в1= u₂₁u₂₂.

Изменяя угол управления α от 0 до π, можно регулировать постоянную составляющую выходного напряжения U_d.

При индуктивном характере нагрузки (ключ К разомкнут) после отпирания тиристора ток i_dнарастает, энергия запасается в индуктивности L_d. При уменьшении i_dэта накопленная энергия поддерживает ток через тиристор и после того, как к нему прикладывается обратное напряжение (рис. 1.18). В итоге, в кривой напряжения u_dпоявляются участки отрицательной полярности.

Рис. 1.18

В предельном случае при L_d(рис 1.19) ток нагрузки i_d= I_d, токи через тиристоры имеют вид прямоугольных импульсов, напряжение на тиристоре u_в1= u₂₁u₂₂. Наличие в кривой u_dучастков отрицательной полярности уменьшает величину напряжения U_d. Диапазон изменения угла управления в этом случае 0 < α < π/2. Другим недостатком УВ в рассматриваемом режиме работы является относительно низкий коэффициент мощности по первой гармонике cos φ₁= cos α.

Для повышения U_dи cos φ₁в схему управляемого выпрямителя вводят так называемый нулевой диод VD0 (рис. 1.20а). Схема УВ с нулевым диодом работает следующим образом (рис. 1.20б). Пусть на интервале α < ωt < π ток проводит тиристор VS1. Ток i_dзамыкается по контуру VS1R_dL_dТр. Диод VD0 заперт обратным для него напряжением u₂₂. В момент ωt = π диод VD0 открывается, к тиристору VS1 через открывшийся VD0 прикладывается обратное для него напряжение u₂₁и VS1 запирается. Ток нагрузки i_dпродолжает протекать в прежнем направлении, замыкаясь по контуру VD0R_dL_d. Напряжение на нагрузке u_d= 0. В момент ωt = π+α открывается тиристор VS2. Через открытый VS2 к VD0 прикладывается обратное напряжение u₂₂и VD0 запирается.

Таким образом включение нулевого диода исключает явление смены полярности выходного напряжения, т. к. смена полярности напряжений u₂₁или u₂₂приводит к отпиранию VD0, который сразу шунтирует нагрузку. Кривая выходного напряжения u_dимеет тот же вид, что и при чисто активной нагрузке.

При наличии VD0 первая гармоника тока в первичной обмотке трансформатора i_1,1смещена по фазе относительно напряжения u₁на угол φ = α/2, т. е. коэффициент мощности выпрямителя с нулевым диодом повышается.

Рис. 1.19

а)

б)

Рис. 1.20

В преобразователях большой мощности чаще всего используется схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя(рис. 1.21). Для обеспечения пуска и работоспособности схемы в режиме прерывистого тока управление выпрямителем осуществляется сдвоенными импульсами (рис. 1.22). Вспомогательные импульсы (показаны пунктиром) следуют за основными (сплошные линии) со сдвигом/3. Угол управления α отсчитывается от моментов естественного отпирания силовых элементов (t₁,t₂,t₃и т. д.).

Рис. 1.21

Выходное напряжение u_d, как и в схеме неуправляемого выпрямителя, состоит из участков линейных напряжений. При изменении α происходит изменение момента перехода кривой u_dот одного линейного напряжения к другому. В результате изменяется величина постоянной составляющей выходного напряжения.

При активной нагрузке диапазон изменения угла управления 0 < α < 2/3. При этом в диапазоне 0 < α </3 имеет место режим непрерывного тока, а в диапазоне/3 < α < 2/3 – режим прерывистого тока.

При индуктивной нагрузке и α < /3 форма напряжения u_dтакая же, как и при активной нагрузке. При α >/3 в кривой u_dпоявляются участки отрицательной полярности. Если L_d эти участки продолжаются до моментов очередного отпирания тиристоров. В этом случае максимальный угол управления α_мах=.

Рис. 1.22

В регулируемом электроприводе постоянного тока выпрямитель работает на индуктивную нагрузку с противо-э.д.с. (рис. 1.23а). Здесь Е_dэ.д.с. вращения двигателя.

Тиристоры выпрямителя могут быть открыты подачей управляющих импульсов в моменты времени, когда u₂> E_d. В зависимости от параметров нагрузки и величины α может иметь место режим прерывистого тока (рис. 1.23б) и режим непрерывного тока. В режиме непрерывного тока (при достаточно большом значении L_d) форма выходного напряжения u_dсовпадает с формой выходного напряжения УВ при работе на индуктивную нагрузку.

а)

б)

Рис. 1.23