управляемые впрямители. Управляемые выпрямители. Управляемые выпрямители устройство, схемы, принцип работы
 Скачать 1.16 Mb.
|
|
Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку R-L нагрузка типична для обмоток электрических аппаратов и обмоток возбуждения электрических машин, или когда на выходе выпрямителя установлен индуктивный фильтр. Влияние индуктивности сказывается на форме кривой тока нагрузки, а также на среднем и действующем значениях тока через вентили и трансформатор. Чем больше индуктивность цепи нагрузки, тем меньше переменная составляющая тока. Для упрощения расчетов полагают, что ток нагрузки идеально сглажен (L→оо). Это правомерно, когда ωпL > 5R, где ωп - круговая частота пульсаций на выходе выпрямителя. При выполнении данного условия ошибка в расчётах незначительна и может не приниматься во внимание. Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку представлены на рис. 9.  Рис. 9. Диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при работе на RL-нагрузку Для рассмотрения процессов, протекающих в схеме, выделим три участка работы. 1. α . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 10.  Рис. 10. Схема замещения выпрямителя На рассматриваемом интервале энергия из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть накапливается в электромагнитном поле индуктивности.  2. α < θ < π. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 11.  Рис. 11. Схема замещения выпрямителя при α < θ < π В момент времени θ = δ ЭДС самоиндукции eL = 0, т.к. ток достигает максимального значения.  На этом интервале энергия, накопленная в индуктивности и потребляемая из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R. 3. π < θ < α + λ. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 12.  Рис. 12. Схема замещения выпрямителя при π < θ < α + λ На этом интервале часть энергии, накопленная в поле индуктивности, преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть возвращается в сеть.  Действие ЭДС самоиндукции на 3-м участке приводит к появлению участков отрицательной полярности в кривой выпрямленной ЭДС, а разные знаки е и i свидетельствуют о том, что на этом интервале происходит возврат электрической энергии в сеть. Если к моменту времени θ = π + α энергия, накопленная в индуктивности L, полностью не израсходована, то ток i будет иметь непрерывный характер. При подаче в момент времени θ = π + α открывающих импульсов на тиристоры VS2 и VS3, к которым со стороны сети приложено прямое напряжение, они открываются и через них к работавшим VS1 и VS4 прикладывается обратное напряжение со стороны сети, вследствие чего они закрываются, такой вид коммутации называется естественной. Трехфазный мостовой выпрямитель - принцип работы и схемы Если для маломощных схем постоянного тока применяют однотактные или мостовые однофазные выпрямители, то для питания более мощных нагрузок необходимы порой выпрямители трехфазные.  Трехфазные выпрямители позволяют получать большие величины постоянных токов с малыми уровнями пульсаций выходного напряжения, что сказывается на снижении требований к характеристикам сглаживающего выходного фильтра. Итак, для начала рассмотрим однотактный трехфазный выпрямитель, изображенный на рисунке ниже:  В приведенной на рисунке однотактной схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены всего три выпрямительных диода. Нагрузка присоединена к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды диодов, и общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора. Давайте теперь рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, имеющих место во вторичных обмотках трансформатора и на одном из диодов трехфазного однотактного выпрямителя:  Некоторым устройствам постоянного тока требуется большее напряжение питания, чем может дать однотактная схема, приведенная выше. Поэтому в некоторых случаях больше подходит схема трехфазного двухтактного выпрямителя. Принципиальная его схема приведена на рисунке ниже. Как мы уже отмечали, требования к фильтру снижаются, вы сможете увидеть это по диаграммам. Данная схема известна как трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова:  Взгляните теперь на диаграммы и сравните их с однотактной схемой. Выходное напряжение в мостовой схеме легко представляется в виде суммы напряжений как бы двух однотактных выпрямителей, работающих в противоположных фазах. Напряжение Ud = Ud1+Ud2. Количество фаз на выходе очевидно больше и частота пульсаций сети больше. В данном конкретном случае - шесть фаз постоянного напряжения вместо трех, которые были в однотактной схеме. Вот почему требования к сглаживающему фильтру снижаются, и в некоторых случаях без него можно полностью обойтись.  Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов. Мостовое включение можно рассмотреть как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа. Два трансформатора будто бы объединены в один. В каждый момент прохождения тока через диоды - в процессе участвуют одновременно два диода — по одному из каждой группы. Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы. Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений (см. диаграммы). Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими. Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки. Таким же образом можно получить от трехфазного трансформатора более шести фаз постоянного напряжения: девять, двенадцать, восемнадцать и даже больше. Чем больше фаз (чем больше пар диодов) в выпрямителе, тем меньше уровень выходных пульсаций напряжения. Вот, взгляните на схему с 12 диодами:  Здесь трехфазный трансформатор содержит две трехфазные вторичные обмотки, причем одна из групп объединена в схему «треугольник», вторая — в «звезду». Количества витков в обмотках групп отличаются в 1,73 раза, что позволяет получить со «звезды» и с «треугольника» одинаковые величины напряжения. В данном случае сдвиг фаз напряжений в этих двух группах вторичных обмоток относительно друг друга получается равен 30°. Поскольку выпрямители включены последовательно, то выходное напряжение суммируется, и на нагрузке частота пульсаций оказывается теперь в 12 раз большей по отношению к сетевой частоте, при этом уровень пульсаций получается меньшим. Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный В  ыпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных электронных устройств, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д. Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку. Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.  Рисунок 1 - Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема - диод открыт, б) схема - диод закрыт, в) временные диаграммы работы Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б). Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная. Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн. Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Однофазная мостовая схема выпрямления Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 - отрицательным полюсом.  Рисунок 2 - Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема - выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении. Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций - 0,67. спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше. Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций. Трехфазная мостовая схема выпрямления Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную - диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.  Рисунок 3 - Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057. Управляемыми выпрямителями - выпрямители, которые совместно с выпрямлением переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока). Управляемые выпрямители применяют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, яркости свечения ламп накаливания, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п. Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров. На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2. Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде. Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.  Рисунок 4 - Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке. Вентильные преобразователи постоянного тока В  ентильные преобразователи постоянного тока служат для питания обмоток возбуждения и якорных цепей двигателей постоянного тока в том случае, когда требуется иметь большой диапазон регулирования скорости и высокое качество протекания переходных режимов электропривода.Для указанных потребителей силовые схемы вентильных преобразователей могут быть: нулевые или мостовые, однофазные или трехфазные. Выбор той или иной схемы преобразователя должен исходить из: обеспечения допустимых пульсаций в кривой выпрямленного напряжения, ограничения числа и величины высших гармонических напряжения в сети переменного тока, высокого использования силового трансформатора. Общеизвестно, что пульсирующее выпрямленное напряжение преобразователя создает пульсирующий ток двигателя, нарушающий нормальную коммутацию двигателя. Кроме того, пульсации напряжения вызывают дополнительные потери в двигателе, что приводит к необходимости завышения его мощности. Улучшение коммутации и уменьшение потерь в электродвигателе может быть достигнуто либо увеличением числа фаз выпрямителя, либо введением сглаживающей индуктивности, либо конструктивным усовершенствованием двигателя. Если преобразователь предназначен для питания якорной цепи двигателя, обладающей незначительной индуктивностью, наиболее рациональными его силовыми схемами являются трехфазные: двойная трехфазная нулевая с уравнительным реактором, мостовая (рис. 1).  Рис. 1. Силовые схемы трехфазных тиристорных преобразователей: а — двойная трехфазная нулевая с уравнительным реактором, б — мостовая Для питания обмоток возбуждения двигателей постоянного тока, обладающих значительной индуктивностью, силовые схемы вентильных преобразователей могут быть как трехфазные нулевые, так и мостовые однофазные или трехфазные (рис. 2).  Рис. 2. Схемы тиристорных выпрямителей для питания обмоток возбуждения: а — трехфазная нулевая, б — однофазная мостовая, в — трехфазная полууправляемая мостовая Из трехфазных схем выпрямления наиболее широкое распространение получила трехфазная мостовая (рис. 1, б). Достоинствами этой схемы выпрямления являются: высокое использование согласующего трехфазного трансформатора, наименьшая величина обратного напряжения на вентилях. Для электроприводов больших мощностей снижение пульсаций выпрямленного напряжения достигается параллельным или последовательным соединением выпрямительных мостов. В этом случае питание выпрямительных мостов производится либо от одного трехобмоточного трансформатора, либо от двух двухобмоточных трансформаторов. В первом случае первичная обмотка трансформатора соединена в "звезду", а вторичные одна — в "звезду", другая — в "треугольник". Во втором случае один из трансформаторов соединен по схеме "звезда-звезда", а второй — по схеме "треугольник — звезда". В связи с тем, что первичные или вторичные обмотки трансформаторов имеют разные схемы соединения, выпрямленное напряжение одного моста будет иметь пульсации, сдвинутые по фазе на угол относительно пульсаций выпрямленного напряжения другого моста. В результате суммарное выпрямленное напряжение на якоре двигателя будет иметь пульсации, частота которых в 2 раза выше частоты пульсаций каждого моста. Уравнение мгновенных значений выпрямленных напряжений параллельно соединенным мостам производится уравнительным реактором. При последовательном соединении выпрямительных мостов схема работает аналогично.  Для уменьшения числа управляемых вентилей применяются полууправляемые или несимметричные мостовые схемы выпрямления. В этом случае одна половина моста, например катодная группа, является управляемой, а анодная — неуправляемой, т. е. собрана на диодах (см. рис. 2, в). Все вышерассмотренные силовые схемы преобразователей нереверсивные, так как обеспечивают протекание тока в нагрузке лишь в одном направлении. Переход от нереверсивной схемы к реверсивной может быть осуществлен либо применением контактного реверсора, либо установкой двух комплектов выпрямителей. Такие выпрямители выполняются по встречно-параллельной (рис. 3) или перекрестной (рис. 4) схемам. При встречно-параллельной схеме оба моста U1 и U2 (см. рис. 3) питаются от общей обмотки трансформатора и включены встречно и параллельно друг другу. В перекрестной схеме каждый мост питается от отдельной обмотки и включен перекрестно по отношению к нагрузке.  Рис. 3. Схема встречно-параллельного включения преобразователей  Рис. 4. Схема перекрестного включения преобразователей Управление вентилями мостов двухкомплектных реверсивных преобразователей может быть раздельное или совместное. При раздельном управлении управляющие импульсы подаются на вентили только того моста, который в данный момент находится в работе и обеспечивает нужное направление тока в цепи нагрузки. Вентили другого моста при этом заперты. При совместном управлении на вентили обоих мостов управляющие импульсы подаются одновременно, независимо от направления тока в нагрузке. Следовательно, при таком управлении один из мостов работает в выпрямительном режиме, а другой — подготовлен к инверторному режиму. В свою очередь совместное управление может быть согласованным и несогласованным. При согласованном управлении управляющие импульсы подаются на вентили обоих мостов так, чтобы средние значения выпрямленного напряжения у последних были равны между собой. При несогласованном управлении необходимо, чтобы среднее выпрямленное напряжение моста, работающего в инверторном режиме (инверторная группа вентилей), превышало напряжение моста, работающего в выпрямительном режиме (выпрямительная группа вентилей). Работа реверсивных схем с совместным управлением характеризуется наличием уравнительного тока в замкнутом контуре, образованном вентилями группы и обмотками трансформатора, который появляется из-за неравенства мгновенных значений напряжений групп во все моменты времени. Для ограничения последнего в схемы вводят уравнительные дроссели L1 — L4 (см. рис. 3). Преимущества совместного согласованного управления — простота, готовность перехода из одного режима в другой, однозначность статических характеристик, отсутствие режима прерывистых токов даже при малых нагрузках. Однако при таком управлении в схеме протекают большие уравнительные токи. Схемы с несогласованным управлением имеют меньшие габариты сглаживающих дросселей, чем при согласованном управлении. Однако при таком управлении снижается диапазон допустимых углов регулирования, что приводит к недоиспользованию трансформатора и к снижению коэффициента мощности. Вышеперечисленных недостатков лишена схема преобразователя с раздельным управлением. Такой способ управления полностью ликвидирует уравнительные токи, так как в этом случае подача управляющих импульсов производится только на работающую группу вентилей. Следовательно, отсутствует необходимость в уравнительных дросселях и полностью используется габаритная мощность трансформатора, так как выпрямительную группу можно открывать с нулевым значением угла регулирования. Совершенствование полупроводниковых преобразователей в системах автоматизированного электропривода |