Управляемые выпрямители

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

В этом случае в качестве источника регулируемого напряжения для питания двигателя используются управляемый выпрямитель. Развитие в последние годы силовой полупроводниковой техники позволило создать статические преобразователи необходимой мощности, преобразующие переменное напряжение на входе в регулируемое постоянное напряжение на выходе. Регулирование постоянного напряжения на выходе осуществляется изменением угла включения вентилей. В качестве управляемых вентилей в большинстве случаев используют тиристоры.

Принцип регулирования выходного напряжения рассмотрим на примере однофазной двухполупериодной схемы выпрямления, которая приведена ниже.

Рисунок 1

Ниже представлены графики напряжения и тока на активной нагрузке.

Рисунок 2

Пусть на управляющий электрод тиристора V1 подаётся управляющий импульс от системы управления в момент t1. Вентиль V1 откроется, что вызовет на нагрузке скачёк напряжения, которое будет изменятся по кривой Ua. В момент t2 напряжение Ua становится равным нулю и тиристор V1 закрывается. На интервале t2 - t3 оба тиристора закрыты и ток через нагрузку равен нулю. В момент t3 под действием импульса управления открывается тиристор V2, он остаётся открытым до момента t4, далее в момент t5 вновь открывается тиристор V1. При активной нагрузке кривая выпрямленного тока повторяет кривую выпрямленного напряжения.

Угол a отсчитывается от момента естественного включения вентиля до момента включения его под действием управляющего импульса. Если изменяется угол a, то соответственно изменяется среднее значение выпрямленного напряжения.

Если же учесть индуктивность обмотки якоря двигателя, индуктивность обмоток трансформатора, то графики изменения напряжения и тока преобразователя будут иметь более сложную форму.

Ниже представлены графики напряжения и тока для случая активно-индуктивной нагрузки, причём индуктивность нагрузки достаточно велика, чтобы ток нагрузки можно считать идеально сглаженным.

Рисунок 3

Наличие индуктивности в нагрузке приводит к тому, что после прохождения напряжения на вторичной полу обмотке через нуль, в находящемся в проводящем состоянии вентиле продолжает протекать ток за счёт энергии накопленной в индуктивности. При достаточно большой индуктивности нагрузки этот вентиль будет открыт до тех пор пока не будет подан управляющий импульс на второй вентиль, тогда второй вентиль включится, а первый отключится.

Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол a относительно моментов их естественного включения, длительность протекания тока через каждый вентиль остаётся равной половине периода напряжения питающей сети. При достаточно большой индуктивности, ток в нагрузке идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличии от схемы работающей с углом a = 0, прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол a.

Сдвиг тока относительно напряжения на угол a приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения. При a= p/2 среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю.

Если величина индуктивности нагрузки невелика и энергии записанной в ней не хватает для обеспечения непрерывного протекания тока в нагрузке, то первый вентиль выключится раньше, чем включится второй вентиль. Такой режим работы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током.

При анализе работы данной схемы процесс перехода тока с одного вентиля на другой рассматривался как мгновенный. В реальных схемах из-за наличия индуктивностей обмоток трансформатора (обусловленных в основном потоками рассеяния обмоток) процесс перехода тока с одного вентиля на другой (процесс коммутации) происходит в течение определительного времени (ток в индуктивности скачком изменится не может). Ниже представлены графики напряжений токов в схеме поясняющие процесс коммутации токов.

Рисунок 4

Предположим в проводящем состоянии находится первый вентиль. В момент t1 поступает отпирающий импульс на второй вентиль. Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен, то второй вентиль включается.

Начиная с момента t1 оба вентиля будут включены и вторичные обмотки трансформатора оказываются замкнуты через них накоротко. Под воздействием ЭДС вторичных полуобмоток в короткозамкнутой цепи возникает ток короткого замыкания, который является коммутирующим током. Этот ток направлен от полуобмотки с большим потенциалом (в) к полуобмотке с меньшим потенциалом (а). Учитывая, что выпрямленный ток (ток нагрузки) в период коммутации остаётся неизменным получим, что он будет в это время равен сумме токов обоих вентилей.

В интервале времени от t1 до t2 ток первого вентиля плавно уменьшается, а ток второго вентиля плавно нарастает, причём на всём интервале сохраняется равенство сумма этих токов равна току нагрузки. Когда ток второго вентиля станет равен току нагрузки, ток первого вентиля снизится до нуля и первый вентиль закроется, это произойдёт в момент t2.

Угол g называют углом коммутации. Следует отметить, что с увеличением a угол g уменьшается. Это объясняется тем, что с увеличением a растёт напряжение под действием, которого развивается ток второго вентиля, и он нарастает быстрее до значения тока нагрузки.

Выпрямленное напряжение и ток содержат как постоянные составляющие Ud, Id, так и переменные составляющие. Наличие переменной составляющей (пульсаций) ухудшает условия коммутации двигателей постоянного тока, увеличивает потери в них, поэтому на выходе выпрямителя обычно устанавливают индуктивный фильтр, который представляет собой реактор (катушку индуктивности) с большим индуктивным сопротивлением, что уменьшает (сглаживает) переменную составляющую.

Другим средством уменьшения пульсации выпрямленного напряжения является использование многофазных схем выпрямления.

Трёхфазный однополупериодный управляемый выпрямитель

Схема такого выпрямителя представлена ниже на рисунке.

Рисунок 5

Особенностями процесса коммутации вентилей в трёхфазных схемах при активно-индуктивной нагрузке является то, что мгновенное значение входного напряжения в период коммутации не падает до нуля, а становится равным среднеарифметическому напряжению фаз которые коммутируются (переключаются). Это объясняется тем, что в период коммутации возникают частичные контуры короткого замыкания между фазами, которые коммутируются.

Ниже представлены графики изменения напряжения и тока на элементах трёхфазного однополупериодного управляемого выпрямителя с учётом индуктивностей трансформатор, а также индуктивности сглаживающего дросселя Ld такой величины, при которой ток в нагрузке можно считать идеально сглаженным.

Рисунок 6.

Из-за наличия индуктивностей в цепи переход тока от одного тиристора к другому происходит не мгновенно, а в течении времени которое соответствует так называемому углу коммутации g. В интервале t1- t2 работает (открыт) тиристор V1, в момент t2 начинается процесс коммутации тока с тиристора V1 наV2.В интервале t2- t3 открыты оба тиристора V1,V2. За счёт ЭДС самоиндукции наводимой в фазе (а) ток в ней спадает не сразу, из напряжения Ub вычитается часть напряжения, которое соответствует ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС самоиндукции препятствует росту тока ib, так что сумма токов iа и ib на интервале t2- t3 остаётся постоянной, равный выпрямленному току id. К концу коммутации в момент t3 ток iа в тиристоре V1 становится равным нулю, а ток ib в тиристоре V2 возрастает до значения id. В период коммутации выпрямленное напряжение становится меньшим и равно:

U_d = (U_a + U_b) / 2

Оно изменяется, так как показано на графике напряжения, представленном на рисунке приведённом выше.

К концу коммутации напряжение скачком возрастает до фазного напряжения Ub. Следовательно выпрямленное напряжение снижается из-за индуктивного падения напряжения, которое на рисунке показано заштрихованными площадками.

Уравнение электромеханической характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения при питании его от выпрямителя:

w = (Ud 0 × cos a I × Rэ) / к×ф

Уравнение механической характеристики:

w = U_{d 0} × cos a / к×ф - M × R_э / к2×ф2

Здесь Ud 0 - среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя.

U_{d 0} = (m / p) × Ö2 × U × sin p / m

U — действующее значение переменного фазного напряжения.

m — число фаз выпрямителя.

R_э— эквивалентное сопротивление.

R_э = (m × X / 2p) + R_т+ R_L+ R_я

Здесь Rт и X активное и индуктивное сопротивления обмоток трансформатора приведённые к вторичной обмотке.

R_L — активное сопротивление сглаживающего дросселя.

Date: 2015-05-22; view: 1075; Нарушение авторских прав