Выпрямителя с нулевым выводом

Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора (одноплечевые) и по мостовой схеме (двухплечевые). Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом трансформатора (рис.1.3.).

Анализ приведенной схемы будем проводить для двух состояний – нагрузка чисто активная и активно-индуктивная. Примем вначале активную нагрузку (ключ К1 включен, К2 выключен).

Рис.1.3.а,б. Схема управляемого выпрямителя и его временные диаграммы.

Режим активной нагрузки, ему соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис. 1.3.б.

На входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения сети. На интервале 1-2 тиристоры Т₁, Т₂ закрыты, напряжение на выходе выпрямителя равно нулю. К тиристорам прикладывается напряжение двух вторичных обмоток трансформатора u_1-2 + u_2-2. На тиристоре Т₁ в прямом направлении, а Т_» в обратном. Если считать, что сопротивления непроводящих тиристоров в прямом и обратном направлении одинаково, то на интервале 1-2 напряжение на тиристорах будет

(u_1-2 – u_2-2)/2.

В момент времени 2, определяемым углом α, от системы управления выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т₁. В результате отпирания тиристора подключается нагрузка на вторичное напряжение u_2-1. На нагрузке на интервале 2-π формируется напряжение u_d, представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1. Через нагрузку и тиристор протекает ток равный U_d/R_н. При переходе напряжения через нуль ток тиристора Т₁ становится равным нулю и тиристор закрывается.

На интервале 3- π =α полярность напряжения изменяется на противоположную. На этом этапе оба тиристора закрыты. К тиристору Т1 прикладывается обратное напряжение, а к тиристору Т2 - прямое напряжение равное u₂. По окончанию указанного интервала подается отпирающий импульс на Т2. Происходит процесс обратный, показанному раннее. При этом необходимо отметить, что на тиристор Т1, на этом интервале прикладывается напряжение равное 2u₂. Далее процессы повторяются.

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла управления α. При α=0 кривая выпрямленного напряжения соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжение максимально. Угол управления α= π U_d=0. Другими словами, управляемый выпрямитель при изменении угла управления α от 0 до π осуществляет регулирование напряжения от максимального значения, равного 0,9U₂ до нуля (рис.14.)

Вид кривих U_d при изменении угла α от π до 0 показаны на рис.2.4.

Рис.1.4. Кривые изменения напряжения при углах α от π до 0

Эта зависимость называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя. Она определяется из выражения для среднего значения напряжения на нагрузке. Это выражение имеет вид . Результат расчета дает , где U_do=0,9U₂. Регулировочная характеристика (рис.1.5.)

Рис.1.5. Регулировочная характеристка выпрямителя

Рассмотрим влияние на процессы в схеме рис.1.6. индуктивности цепи нагрузки.

Наличие индуктивности приводит к изменению характера зависимости тока по сравнению с зависимостью напряжения, которое было при чисто активной нагрузке.

Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла . Если индуктивность в цепи нагрузки достаточно велика* для поддержания тока при отрицательном напряжении, то зависимость среднего выходного напряжения от угла управления находится из выражения:

где -амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

* Обычно в цепь якоря двигателя включается дополнительная индуктивность.

При открытия тиристора ток плавно нарастает, что соответствует запасанию энергии в индуктивности. При спадании тока эта энергия отдается обратно, в результате чего ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения питания через нуль. Длительность интервала проводимости тиристоров Т₁, Т₂ возрастает. И они остаются открытыми в течении некоторого интервала после изменения полярности напряжения питания. По этой причине в кривой напряжения появляются интервалы напряжения отрицательной полярности

Рис.1.6. Выходные характеристки выпрямителя в зависимости от индуктивности

нагрузки

Интервалы этих участков при угле α зависят от отношения τ =L_н /R_н. С ростом L_н при неизменном значении R_н задержка в уменьшении до нуля тока возрастает и участки отрицательной полярности в кривой u_d занимают больший интервал. При некоторой величине индуктивности эти участки распространяются на весь интервал, α и ток принимает непрерывный характер. Такое же влияние оказывает и снижение R_н. Участки отрицательной полярности уменьшают среднее значение напряжения на нагрузке.

Увеличение длительности проводящего состояния тиристоров под действием индуктивности нагрузки приводит к изменению формы кривой напряжения по сравнению с чисто активной нагрузкой.

Регулировочная кривая приведена также на рис.1.5. и она определяется по выражению

решением, которого будет U_d = U_docosα

Необходимо отметить, что все регулировочные характеристики будут находиться между указанными характеристиками.

Графики электромагнитных процессов в однофазном УВ показаны на рис. 1.7.

Рис.1.7. а-е. Электромагнитные процессы в однофазном УВ.

В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение (затемненная область на рис.1.7,б), представляющее собой участок кривой напряжения .Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток. При переходе напряжения питания через нуль ток тиристора Т1 продолжает протекать вследствие того, что в нагрузке включена индуктивность. В кривой выходного напряжения создаются отрицательные участки.

Очередной отпирающий импульс подается на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора приводит к запиранию Т1. При этом к нагрузке прикладывается положительное напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале проводимости тиристора Т2, сумма напряжений вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис.1.7,е). В последующем процессы в схеме следуют аналогично, рассмотренным выше. Токи тиристоров показаны на рис.1.7,г,д, а ток нагрузки - на рис.1.6,в.

Потребляемый из сети ток i₁ показан на рис.1.7,а. Первая гармоника потребляемого тока i₁(1) отстает от напряжения сети по фазе. Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках. Улучшение энергетических показателей возможно при использовании нулевого диода.