книги / Электроника и микросхемотехника. Ч. 2 Электронные устройства промышленной автоматики
.pdfры и масса. Эта схема может использоваться и в бестрансформаторном выпрямителе, в отличие от однофазной нулевой, для которой трансфор матор необходим.
Однофазная нулевая схема применяется в низковольтных выпрями телях, так как в ней меньше падение напряжения на диодах. Однофаз ная мостовая схема характеризуется высоким коэффицентом мощ ности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от де сятков до сотен вольт.
Однополупериодная схема (рис. 6.4, а) пропускает только одну по ловину питающего напряжения, поэтому через вторичную обмотку трансформатора протекает постоянная составляющая тока намагничи вания, что приводит к плохому использованию мощности трансфор матора. Она применяется при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой сте пени сглаживания выпрямленного напряжения.
Симметричная схема удвоения напряжения (схема Латура)
(рис. 6.4, б) представляет собой последовательное соединение двух однополупериодных схем, нагруженных на конденсаторы. Каждый из конденсаторов заряжается в течение своего периода, а их суммарное напряжение и определяет выходное напряжение выпрямителя. Эта схема применяется при повышенных выпрямленных напряжениях (до 1...2 кВ) в устройствах различной мощности при небольших токах.
Несимметричные схемы с умножением напряжения применяются при очень малых токах нагрузки, т. е. в режиме, близком к холостому ходу. Одна из таких схем показана на рис. 6.4, в. В этой схеме выпрям ленное напряжение почти в 5 раз больше амплитуды напряжения вто ричной обмотки трансформатора, так как коэффициент умножения, равный числу диодов или конденсаторов, в данном случае равен 5. Увеличение или уменьшение выпрямленного напряжения достигается соответственно добавлением или исключением нужного числа каска дов, каждый из которых состоит из одного диода и одного конденса тора.
В схемах умножения частота пульсаций / = /с, обратное напря жение на диоде и напряжение на всех конденсаторах (кроме первого С1) равно удвоенному амплитудному значению напряжения вторич ной обмотки трансформатора. При нечетном числе каскадов по вторич-
221
ной обмотке протекает ток, вызывающий вынужденное подмагничивание трансформатора.
Трехфазная схема выпрямления с нулевой точкой (трехфазная ну левая схема Миткевича) (рис. 6.5, а) представляет собой схему однополупериодного выпрямления, состоящую из трех диодов VD1, VD2 и VD3, катоды которых соединены в общую точку, а аноды соответст венно подключены к концам фазовых обмоток 3-фазного трансформа тора с нулевым выводом. Катоды диодов образуют положительный полюс цепи нагрузки, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансфор матора — отрицательный полюс.
Из временной диаграммы на рис. 6.5, б видно, что напряжения U2a, «2ь и иос сдвинуты по фазе на 120° и в течение V3 периода (V3 Т с) напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относи тельно нулевой точки трансформатора. Следовательно, будет открыт только один диод этой фазы. Затем, при уменьшении на нем напряже ния (точки а, б, б),происходит запирание проводящего диода и отпира
ние следующего, т. е. осуществляется переход тока |
от одного |
диода |
||
к другому |
(коммутация тока). Выпрямленный ток i„ |
протекает |
|
через |
нагрузку |
непрерывно (рис. 6.5, в). Обратное напряжение U0бР, |
при |
||
ложенное к неработающему диоду, равно межфазному напряжению вторичных обмоток трансформатора, так как анод закрытого диода присоединен к одной из фаз, а катод через работающий диод присоеди нен к другой фазе вторичной обмотки трансформатора. Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным обмоткам транс форматора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает во всех трех сердечниках поток Ф одного направле ния, значение которого изменяется с тройной частотой сети в соот ветствии с пульсацией анодного тока и который замыкается через воздух и кожух трансформатора. Наличие этого потока приводит к увеличению намагничивающего тока трансформатора, а также к не обходимости увеличения сечения сердечника во избежание его насы щения.
Таким образом, эта схема характеризуется плохим коэффициентом использования мощности трансформатора, сравнительно большим обратным напряжением на диоде и наличием вынужденного намагни-
222
чивания трансформатора, которое вызывает увеличение потерь в магнитопроводе. Поэтому трехфазная нулевая схема не находит широко го применения.
Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова) (рис. 6.6, а) состоит из трех пар последовательно соединенных диодов, аноды и катоды каждой из пар объединены в общие точки и составляют соответственно
отрицательный |
и положительный полюсы выходного напряжения, |
а средние точки |
соединены с концами фазовых обмоток трехфазного |
трансформатора, |
вторые концы которых соединены в нулевую точку. |
Диоды выпрямителя условно разбивают на две группы: катодную, или нечетную {VD1, VD3, VD5), и анодную, или четную (VD2, VD4, VD6). Катодная группа диодов повторяет режим работы трехфазной нулевой схемы. В этой группе диодов в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 6.6, б). В анодной группе в данную часть периода работает только один диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал по отношению к общей точке анодов.
Диоды катодной группы открываются в момент пересечения поло жительных участков синусоид (точки а, б, в и г на рис. 6.6, б), а дио ды анодной группы — в момент пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м и н). Каждый из диодов работает в течение одной трети периода.
При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток два диода — один из катодной, Другой из анодной группы, при этом любой диод одной группы рабо тает поочередно с двумя диодами другой группы (рис. 6.6, г и д). Че
рез |
каждую |
фазу трансформатора ток |
it будет проходить в |
течение |
2/3 |
периода: |
V3 — положительный и |
V3 — отрицательный. |
Ток /„ |
в нагрузке все время проходит в одном направлении. |
|
|||
223
В течение рабочего интервала одновременно проходят токи во вторичных обмотках, расположенных на разных стержнях магнитной системы (см. токи i2fl и 1чь на рис. 6.6, а), при этом через две первич ные обмотки, расположенные на тех же стержнях, также проходят токи. Намагничивающие силы от токов ix и i2 на каждом из стержней в этом случае уравновешиваются, и однонаправленный поток Ф не возникает.
Выпрямленное напряжение Un (рис. 6.6, в) в этой схеме описыва ется верхней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений «2л (см. пунктирную кривую на рис. 6.6, в). Частота пульсаций кривой и„ равна 6/с.
Обратное напряжение на закрытом диоде определяется разностью потенциалов его катода и анода. Ординаты кривой U0бР для диода VD1 на рис. 6.6, б заштрихованы.
Максимальное значение обратного напряжения на диоде равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформато ра. Выпрямленный ток при чисто активной нагрузке полностью пов торяет кривую ин.
Трехфазная мостовая схема, называемая иногда шестифазной мос товой, обладает наилучшим коэффициентом использования мощности трансформатора, наименьшим обратным напряжением на диоде и вы сокой частотой пульсации выпрямленного напряжения. Схема приме няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощнос тей. Вторичную обмотку трансформатора рекомендуется соединять в треугольник из-за появления уравнительных токов, возникающих при асимметрии фазных напряжений.
6.3.Регулируемые выпрямители
Регулируёмые выпрямители применяются для плавного измене ния среднего значения выпрямленного напряжения £/„. Принцип работы регулируемых выпрямителей заключается в том, что при ис пользовании в схемах выпрямителей тиристоров вместо диодов можно изменять момент включения тиристоров в пределах полупериода вы прямляемого напряжения и тем самым изменять его. среднее значение от 0 до Umax• Таким образом, в регулируемых выпрямителях исполь зуется фазовый принцип работы тиристорных ключей, что приводит к некоторым особенностям в их работе.
Двухполупериодный однофазный нулевой регулируемый выпрямитель
(рис. 6.7, а). Схема управления (СУ) тиристорами в каждый полупери-
од |
питающего напряжения формирует |
импульсы |
управления Uy\ |
или |
Uy2, момент появления которых определяется СУ. Предположим, |
||
что |
на вход тиристора VS1 отпирающий |
импульс |
Uy\ будет подан в |
момент tlt следовательно, этот тиристор откроется с задержкой на угол а по отношению к началу полупериода положительного напря жения и2а, в результате чего в интервале t0 — tx напряжение на на грузке R„ равно нулю, так как оба тиристора VS7 и VS2 закрыты.
В момент отпирания тиристора VS1 напряжение ип на нагрузке Ru скачком возрастает и далее изменяется по кривой фазного напря-
224
жения «2а* В момент t2 напряжение и?а меняет знак, тиристор VS1 запирается, в интервале t2—t3 оба тиристора будут закпыты, а в мо мент / 3 вступает в работу тиристор VS2 и остается открытым до момен та t4 и т. д.
При активной нагрузке кривая выпрямленного тока *н полностью
повторяет форму кривой |
напряжения |
«„ (pm 6.7, б) |
|
Зависимость выходного напряжения от угла а имеет вид |
|||
где |
и „о — напряжение |
на выходе |
нерегулируемого выпрямителя, |
т. е. |
при а = 0 . |
|
|
Работа однофазной мостовой схемы регулируемого выпрямителя
отличается только тем, что управляющие импульсы необходимо по давать одновременно на два тиристора, расположенных в противопо ложных плечах выпрямительного моста.
8 8-1882 |
225 |
Uza |
|
VS2 |
. |
K . W |
+ . |
I |
— |
^ |
. vss |
1 |
к . 1V55 |
л |
1 |
|
к |
|
||||
----------- | — |
|
|
|
is |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
- |
. VXA |
|
К- 1VS3 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
\ t z ±
В трехфазной нулевой схеме регулируемоговыпрямителя (рис. 6 .8 , а)
управляющие импульсы |
подаются на тиристоры с некоторым смеще |
||||
нием |
во времени по отношению к моменту естественного |
отпирания |
|||
диодов в |
неуправляемой схеме, |
которые соответствуют точкам а, б, |
|||
в и г |
(рис. 6 .8 , б), т. е. угол |
а отсчитывается от точки, сдвинутой |
|||
на 30° |
относительно |
начала |
полупериода однофазного |
напряже |
|
ния. Тем самым полный диапазон изменения выходного напряжения от 0 до С/max имеет место при изменении а от 0 до 150°. На рис. 6 .8 , в, г показаны формы выходного напряжения при а = 60° и а = 30°. Из этих рисунков видно, что в зависимости от величины угла а могут быть режимы прерывистого и непрерывного тока. Граница этих режи
мов имеет место при а = |
30°. При непрерывном режиме (0 < |
а |
< 30°) |
|||
и я = U„о cos а, |
а при прерывистом |
(30° < а |
< 150°) U„ = |
-р=- х |
||
X [1 -f cos (30° + |
а)]. |
Максимальное |
значение |
обратного |
напряже |
|
ния на тиристорах, как и в схеме с неуправляемыми вентилями, рав но U2л.
В трехфазной мостовой схеме регулируемого выпрямителя,
(рис. 6.9, а), как и в нерегулируемом выпрямителе, одновременно ра ботают два тиристора. Отпирающие импульсы на тиристоры подаются со сдвигом на 180° по отношению к тиристорам четной группы, присо единенным к тем же выводам вторичной обмотки. Работа схемы иллюстрируется диаграммами мгновенных значений фазных напряже-
226
|
|
|
--------------- ----------------- |
|
|
Таблица 6.1 |
|||
|
Схема выпрямлении |
"сро |
^обр щах |
'а |
7ад |
h |
I |
Коэф |
|
|
5тр I |
фици |
|||||||
|
|
|
1 У2ф |
у сР0 |
7ср |
7ср |
/ср |
|
ент |
|
|
|
РСР |
пуль |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
сации, % |
|
Однофазная двухполупериод- |
|
|
|
|
|
|
|
||
ная |
(нулевая) |
0,9 |
3,14 |
0,5 |
0,785 |
0,785 |
1,48 |
67 |
|
Однофазная |
мостовая |
0,9 |
1,57 |
0,5 |
0,71 |
0,71 |
1,34 |
|
|
0,785 |
M l |
1,23 |
67 |
||||||
Трехфаэная |
нулевая |
1,17 |
2,09 |
0,33 |
0,71 |
1,0 |
1.11 |
|
|
0,585 |
0,585 |
1,37 |
25 |
||||||
Трехфазная |
мостовая |
2,34 |
1,05 |
0,33 |
0,577 |
0,577 |
1,35 |
|
|
0,577 |
0,817 |
1,05 |
6 |
||||||
ний |
на тиристорах (рис. 6.9, б) и кривыми выпрямленного напряже |
||||||||
ния |
ии (рис. 6.9, в), которое получается путем суммирования мгновен |
||||||||
ных значений напряжений, пропускающих в данный момент тиристо рами. Каждая из диаграмм построена для трех значений углов а = = 30°, а = 60°, а = 90°. При а = 0 импульсы управления на тирис торы необходимо подавать в моменты, соответствующие точкам пере сечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и к, л, м) на рис. 6.9, б. В этом случае каждый из тиристоров проводит ток в тече ние 60°, как в неуправляемой схеме, и чередование пар работающих тиристоров происходит также через 60° (рис. 6.9, в). При а < 60° кривые выпрямленного напряжения и тока через активную нагрузку непрерывны, U„ = U„о cos а. Вступающий в работу тиристор может пропускать ток только при условии, если одновременно открывается или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому номеру) тиристор другого плеча моста.
При а > 60° возможно нарушение этого условия, поэтому для уп равления тиристорами необходимо либо подавать импульсы длитель ностью больше 60°, или два коротких импульса с интервалами между
ними в 60° (рис. 6.9, б при а = |
90°). |
|
||
Среднее значение выходного напряжения для режима прерывис |
||||
тых токов (а >» 60°) |
определяется |
выражением |
|
|
|
Uи = U* 11 |
+ |
cos (а 4- 60°)], |
(6.2) |
откуда следует, что |
предельный |
угол, при котором UH= |
0, a max = |
|
=120°.
Схема управления тиристорами должна обеспечивать поступле
ние импульсов на два тиристора (анодной и катодной групп) одновре менно. Например, при а = 90° (рис. 6.9, б) в момент f, одновременно открываются тиристоры • VS1 и V\S5, а в момент /2, когда разность между напряжениями и2а и и2ь будет равна нулю, оба тиристора закро ются. Затем в момент /3 должен вступить в работу тиристор VS2, ко торый откроется только при наличии повторного отпирающего импуль са на тиристоре VSI или если на вход этого тиристора в момент txуже подан импульс длительностью больше 60°. Тиристоры VS2 и VS1
227
будут проводить ток до момента tit далее вступят в работу тиристоры
VS2 и VS3 и т. д.
Основные параметры, описывающие работу различных схем выпря мителей, собраны в табл. 6 .1, где параметры неуправляемых выпрями телей определяются при а = 0 .
6.4. Работа выпрямителей на сглаживающие фильтры
Для уменьшения пульсаций выходного напряжения выпрямите лей и создания условий непрерывного протекания тока в нагрузке используются сглаживающие фильтры. На рис. 6.10 показана форма фазного тока двухполупериодной нулевой схемы выпрямителя, пита ющегося от сети переменного напряжения (рис. 6 .1 0 , а), при работе на емкостный (рис. 6 .1 0 , б) и индуктивный (рис. 6 .1 0 , в) фильтры и при работе на активную нагрузку без фильтра (рис. 6.10, г). В первом слу чае форма тока представляет собой верхнюю часть синусоиды с продол жительностью менее полупериода, что объясняется тем, что диоды выпрямителя подпираются напряжением, накопленным в конденсато ре фильтра за предыдущие такты работы, и ток через диоды начинает протекать только при превышении переменным напряжением этого накопленного на конденсаторе напряжения. Во втором случае ток име ет форму прямоугольника с продолжительностью, равной полупериоду, так как при большой величине индуктивности ток в течение полупериода не изменяет свою величину. В третьем случае ток имеет форму полусинусоиды.
Аналогичный характер имеет ток при работе выпрямителя без филь тра, но на комплексную нагрузку.
Выпрямители, работающие на фильтр, начинающийся с емкости (с емкостной реакцией), используются в широком диапазоне выпрям ленных напряжений и мощностей. Однако трансформаторы этих вы прямителей имеют большую габаритную мощность по сравнению с
выпрямителями |
с |
индуктивным |
фильтром. |
К недостаткам |
выпрямителей с |
емкостным |
|
фильтром относится |
также большая ампли |
||
туда тока через диоды. |
|
||
Выпрямители с |
индуктивным |
фильтром |
|
применяются в широком диапазоне выпрям
ленных |
напряжений при мощностях |
от де |
сятков |
ватт до нескольких киловатт и при |
|
токах |
свыше 1 А. Такие выпрямители |
имеют |
меньшее внутреннее сопротивление по сравне нию с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод. Недостатком выпрямителей с индуктивным фильтром являются перена пряжения, возникающие на выходной емкос ти и дросселе фильтра при включении вы-
—Р Т -
Ян 1н t-Ф
~Uf
Ucp
JD 2 iai
Рис. G.li
прямителя, что представляет опасность для элементов самого выпря мителя и его нагрузки.
Рассмотрим детальнее работу выпрямителей на фильтры с индуктив ной и емкостной реакцией.
Выпрямитель с индуктивным фильтром. Схема двухполупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром и временные диаграммы ее работы показаны на рис. 6.11. В этой схеме, в отличие от схемы без фильтра, ток ia\ в диоде VD1 к концу положительного полупериода не спадет до нуля, а в момент Ы =к ток нагрузки переходит к диоду' VD2, так как потенциал анода VD2 становится выше потенциала анода VD1 (рис. 6.11, б). Этот переход тока происходит мгновенно, так как в анодных цепях диодов VD1 и VD2 нет индуктивностей. В следующий
полупериод, |
когда и2а будет опять положительным, ток /н снова пере |
|||
ходит к диоду VD1 (рис. 6.11, в). |
||||
Ток |
нагрузки iu |
представляет собой пульсирующий выпрямлен |
||
ный ток, |
который кроме постоянной составляющей /„о имеет и перемен |
|||
ную |
составляющую |
Величина пульсаций тока in тем меньше, |
||
чем |
больше |
индуктивность £ ф. Анодные токи диодов имеют форму |
||
криволинейных прямоугольников длительностью я.
Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе на ин дуктивный фильтр также отличаются от процессов при работе на ак тивную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 6.12, а) ра
ботает с идеально сглаженным |
током /„ (£ф = |
со), тогда тиристоры |
VSJ и VS2, вртупив в работу в момент времени |
(рис. 6.12, б), не за |
|
кроются в момент i2 прохождения фазового напряжения через нуль, как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до момента /3, когда вступит в работу следующая пара тиристоров VS2 и VS4.
Вкривой выпрямленного напряжения и„ в интервалах времени ?2.../3 и так далее появляются участки отрицательного напряже
ния, когда ток через тиристор и нагрузку проходит под действием э. д. с. самоиндукции, возникающей в индуктивности £ф. Среднее зна чение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определе но для всего диапазона изменения угла а:
£/„ = £/„о cos а. |
(6.3) |
229
Это выражение справедливо для всех управляющих схем при рабо те выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором UH= 0, в таких случаях является УГОЛ а тах = 90°.
Ток через диод /д в непрерывном режиме будет иметь форму пря моугольных импульсов с амплитудой, равной /„ (рис. 6.12, в). Обрат ное напряжение Ыобр на диоде, как видно из рис. 6.12, г, возрастает скачком.
Выпрямитель с емкостным фильтром. Рассмотрим его работу на примере однофазной нулевой схемы (рис. 6.13, а). Ток через вентили схемы может проходить лишь в те положительные части периодов, когда величина выпрямленного напряжения (/„ будет меньше и%. Например, диод VD1 откроется в момент tx и закроется в момент t2 (рис. 6.13, б), диод VD2 вступит в работу в следующий полупериод
230