Выпрямители и инверторы промышленной частоты

Электрическая энергия генерируется и распределяется главным образом в виде переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Между тем в промышленности имеются установки, которые нуждаются в постоянном токе (электропривод, электролиз, подъемные и сварочные устройства, автоматика и управление). В связи с этим возникает потребность в преобразовании переменного тока в постоянный – выпрямление. С другой стороны при источниках питания постоянного тока (аккумуляторы, химические и солнечные батареи, термоэмиссионные преобразователи) для потребителей переменного тока необходимо преобразование переменного тока в постоянный – инвертирование. Часто применяется и двойное преобразование: передача энергии по дальним высоковольтным линиям передач постоянного тока, имеющим меньшие потери на корону и большие возможные напряжения; преобразование промышленной частоты для питания высокочастотных установок, где переменный ток преобразуется в постоянный, а затем постоянный снова в переменный. Для изменения постоянного напряжения оно преобразуется в переменное, изменяется трансформатором, и снова преобразуется в постоянное.

Рассмотрим основные схемы выпрямителей. В качестве неуправляемых выпрямительных элементов используют полупроводниковые диоды (иногда высоковольтные вакуумные диоды – кенотроны). В качестве управляемых элементов: транзисторы, тиристоры, тиратроны и газовые и ртутные управляемые разрядники. При однофазном переменном питании различают однополупериодные выпрямители, двухполупериодные выпрямители со средней точкой и двухполупериодные выпрямители с мостовой схемой (рис.4.1.).

Рис.4.1. Схемы однофазных выпрямителей а) однополупериодный; б) двухполупериодный выпрямитель со средней точкой; в) двухполупериодный выпрямитель с мостовой схемой.

Рис. 4.2. Выпрямленные значения напряжения при а) однополупериодном выпрямлении; б)двухполупериодном выпрямлении.

Среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения Uo будет равно:

- однополупериодная схема.

- двухполупериодная схема.

Здесь Um – амплитудное значение переменного напряжения, снимаемого с трансформатора. Схема 1а) и 1в) могут применяться и без трансформатора.

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое в диодам в схемах 1а) и 1б) – двойное амплитудное , а в мостовой схеме – амплитудное .

Важное значение имеют частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, где U_1m – амплитуда первой гармоники пульсаций.

Для однополупериодной схемы, разлагая напряжение в ряд Фурье, получим , q =1,57.

Для многополупериодных схем, начиная с числа полупериодов m =2, применяют формулы: ; , при m =2, q =0,67, .

Существенно меньшие пульсации имеют трехфазные выпрямители (рис.4.3).

В трехполупериодной схеме складываются сдвинутые по фазе на 120⁰ однополупериодные выпрямители:

, , , .

Рис. 4.3. Схемы трехфазных выпрямителей: а) трехполупериодная схема; б) шестиполупериодная мостовая схема Ларионова.

Для мостовой трехфазной схемы можно получить . Здесь к мосту прикладывается линейное переменное напряжение, равное фазного. U_m – амплитуда фазного напряжения. , q =2/35=5,7%, .

В мостовой схеме в трансформаторе практически отсутствует постоянный ток подмагничивания, меньше напряжение на вторичной обмотке и очень малый коэффициент пульсаций, что позволяет во многих случаях работать без фильтра.

Простейшими фильтрами, служащими для сглаживания выпрямленного напряжения являются: при малых мощностях – емкость, включенная параллельно нагрузке, при больших мощностях – индуктивность (дроссель), включенная последовательно с нагрузкой (рис.4).

Фильтр характеризуется коэффициентом фильтрации . Для схем рис.4.4 и .

Рис.4.4. Простейшие сглаживающие фильтры.

Больший коэффициент пульсации имеют LC фильтры (рис.4.5).

Рис.4.5. Г-образный LC и П-образный LC фильтры.

Однако в LC – фильтрах появляются дополнительные низкочастотные колебания с частотой . Важнейшей характеристикой выпрямителя, как и всякого источника питания, является его нагрузочная характеристика, показывающая зависимость выпрямительного напряжения от тока, потребляемого нагрузкой.

Вид и степень этой зависимости определяются внутренним сопротивлением выпрямителя, которое складывается из активных сопротивлений фильтра, обмоток трансформатора и диодов.

Возможность изменения выпрямленного напряжения имеют управляемые выпрямители, в которых диоды заменены тиристорами (рис.4.6).

Рис. 4.6. Управляемый выпрямитель.

Тиристоры открываются с управляемым запаздыванием от специального пускового устройства, а закрываются обратным напряжением. Пульсации выпрямленного напряжения при этом увеличиваются.

Инверторы разделяются на автономные и инверторы, ведомые сетью. Автономный инвертор имеет собственную колебательную систему и может работать автономно. Инвертор, ведомый сетью, только подпитывает сеть в определенные интервалы периода.

В схеме автономного инвертера (рис.4.7) управляющий сигнал поступает на тиристор, находящийся под плюсовым напряжением. Тиристор срабатывает, через конденсатор закрывает другой тиристор, и через первую половину трансформатора от источника питания проходит один полупериод тока. За это время конденсатор через вторую половину трансформатора перезаряжается, после чего подается управляющий сигнал на второй тиристор, который, открываясь, закрывает первый тиристор. Ток открытого правого тиристора создает второй полупериод тока в нагрузке. Затем процесс повторяется. Синусоидальная форма определяется емкостью С и индуктивностью L совместно с индуктивностью рассеяния трансформатора. Дроссель L _d защищает источник E _d от переменного напряжения.

Рис.4.7. Автономный инвертор.

В схеме инвертора, ведомого сетью (рис.4.8) управляющие сигналы поочередно открывают тиристоры, которые закрываются напряжением сети, когда оно превышает напряжение источника E _d. Индуктивность L _d затягивает ток и вследствие этого увеличивается время отдачи мощности.

Рис.4.8. Однофазный инвертор, ведомый сетью.

В заключении рассмотрим простейшую однофазную схему выпрямителя с умножением напряжения (рис.4.9).

Рис.4.9. Схема многокаскадного умножителя напряжения.

Первый конденсатор заряжается до постоянного напряжения, близкого при малом токе нагрузки к амплитудному значению переменного напряжения. Второй и все последующие конденсаторы заряжаются до двойного напряжения, т.к. их заряд определяется переменным напряжением трансформатора и алгебраической суммой напряжений предыдущих конденсаторов. Суммарное умножение напряжения определяется числом диодов U _H= nU _о. Обратное напряжение на каждом диоде в два раза превышает амплитуду напряжения на вторичной обмотке . Для коэффициента пульсации используют выражение .

Выходное сопротивление выпрямителя , где и - сопротивление диодов и трансформатора.

Рис.4.10. Схема удвоения напряжения.

Основным преимуществом схем умножения является возможность получения очень высоких напряжений от сравнительно низковольтного источника и при сравнительно низковольтных диодах. Однако из-за большого выходного сопротивления и низкого КПД их применяют только при малых токах. Исключением является простая схема удвоения напряжения, представляющая собой два однополупериодных выпрямителя (рис.4.10). Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на емкостях каждого выпрямителя. Частота пульсаций здесь удваивается, как и в мостовой схеме. Ток вторичной обмотки трансформатора не имеет постоянной составляющей и, следовательно, трансформатор работает без подмагничения. При малых токах нагрузки , будем иметь , , где U_m – амплитуда напряжения трансформатора. С учетом тока нагрузки реальное напряжение на ней снижается, но остается равным удвоенному значению однополупериодного выпрямителя.