Повышение эффективности управляемых выпрямителей

Для устранения резкого падения внешней характеристики, обусловленной прерывистым – разрывным характером выпрямленного тока, а также с целью повышения коэффициента мощности выпрямителя, в его схему вводится дополнительный (нулевой, обратный) диод (VD1 –
рис. 1.6, б).

С момента до дополнительный диод VD1 находится в закрытом непроводящем состоянии, так как к его катоду приложена положительная полуволна напряжения u0(w t) (см. рис. 1.7, а). В момент происходит изменение полярности , дополнительный диод VD1 переходит в открытое проводящее состояние. Это приводит к режиму короткого замыкания: ток короткого замыкания для дополнительного диода VD1 является прямым, а для управляемого вентиля VS1 – обратным и он (VS1) переходит в закрытое непроводящее состояние. Дополнительный диод VD2 продолжает оставаться в открытом проводящем состоянии за счет э. д. с. самоиндукции дросселя L. На интервале (т. е. от π до ) электрическая энергия в цепь нагрузки R Н будет поступать от дросселя L (см. рис. 1.7, ж), т. е. дроссель L возвращает накопленную на интервале (т. е. от до ) электрическую энергию (рис. 1.7, ж). В момент управляющий сигнал (см. рис. 1.7, б) обеспечивает перевод управляемого вентиля – тиристора VS1 – в открытое проводящее состояние. При этом дополнительный диод VD1 на интервале оказывается под обратным напряжением: на его катод будет воздействовать положительная полуволна u0(w t) – рис. 1.7, а. Поэтому дополнительный диод VD1 в интервале будет находиться в закрытом непроводящем состоянии.

Введение в схему дополнительного вентиля VD1 позволяет сместить основную гармонику тока первичной обмотки трансформатора TV1 на угол . При отсутствии VD1 сдвиг фаз между током и напряжением в первичной цепи трансформатора TV1 составляет . В результате видим, что управляемые выпрямители с дополнительным диодом имеют более высокий коэффициент мощности, чем выпрямители без него.

Введение дополнительного диода в схемы управляемых и неуправляемых выпрямителей приводит к снижению пульсации выпрямленного напряжения u0(w t) и тока (см. рис. 1.7, ж) в дросселе L за счет эффективного обеспечения безразрывного характера тока при увеличении L.

1.3.5 Работа трехфазного однотактного управляемого
выпрямителя на активный характер нагрузки

Каждый из тиристоров VS1, VS2, VS3 трехфазной схемы подключен катодом к активному сопротивлению нагрузки Rн и анодом – к источнику синусоидального переменного напряжения u a(w t), ub(w t), u с(w t) фаз а, b и с соответственно. При отсутствии управляющих сигналов со схемы управления СУ все тиристоры находятся в закрытом непроводящем состоянии.

Каждый из тиристоров может переходить в открытое проводящее состояние (но только в течение положительной полуволны анодного напряжения) при воздействии на управляющий электрод импульсного управляющего сигнала uу(w t) со схемы управления СУ.

Форма напряжения u0(w t) на выходе блока выпрямления БВ для схемы рис. 1.6, в (а так как сопротивление нагрузки Rн имеет активный характер, то и форма тока i0(w t)) после включения тиристора идентична форме приложенного напряжения (считаем, что падение напряжения на тиристоре мало и составляет порядка 1 В). В трехфазной однотактной схеме управляемого выпрямителя нагрузка включается между нулевой точкой трансформатора и катодами тиристоров. Управление тиристорами производится импульсами от устройства управления СУ путем изменения угла регулирования относительно моментов естественного открывания вентилей в неуправляемом выпрямителе (точки wt 1, wt 3, wt 5, … – рис. 1.9).

Принцип действия трехфазных однотактных управляемых выпрямителей отличается от неуправляемых только тем, что переключение фаз выпрямления происходит не в моменты wt 1, wt 3, wt 5, … равенства фазных э. д. с., а позже на угол запаздывания a.

Рассмотрим принцип действия схемы 1.6, в на активный характер нагрузки при угле регулирования a = 30°. На рис. 1.9 показаны кривые напряжения и тока для угла регулирования a = 30°. В момент времени t1 напряжение u a(w t 1) фазы а превышает напряжение фазы с, но тиристор VS3 остается в открытом проводящем состоянии, поскольку тиристор VS1 закрыт. В момент времени t 2 на управляющий электрод тиристора VS1 подается импульс управления uуa (wt 2) и он открывается – переходит в открытое проводящее состояние. При этом тиристор VS3 закрывается – переходит в закрытое непроводящее состояние, поскольку к нему прикладывается обратное напряжение. Напряжение на выходе выпрямителя скачком возрастет до напряжения фазы а. В интервале времени t 2 …t 4 напряжение u 0 (w t) на выходе выпрямителя формируется напряжением u a (w t 2 ) …u a (w t 4 ) фазы а.

В момент времени t 4 открывается (сигналом управления u ув (w t 4 ) – рис. 1.9) тиристор VS2, а тиристор VS1 закрывается, так как к нему прикладывается обратное напряжение. Кривая тока i 0 (w t) повторяет форму кривой выпрямленного напряжения u 0 (w t) (рис. 1.9). Изменение фазы управляющих импульсов, изменение угла регулирования a, ведет к изменению средних значений выпрямленного напряжения U 0 и тока нагрузки I 0. Из рисунка 1.9 видно, что при угле регулирования a £ 30^° выпрямленный ток имеет непрерывный характер. При угле регулирования a > 30° у кривой выпрямленного напряжения u 0 (w t) возникают паузы, в течение которых i 0 (w t) = 0. На рис. 1.9 приведены диаграммы напряжений и токов и для a = 60 ° и a = 120 °.

Рисунок 1.9 – Диаграммы, иллюстрирующие электрические процессы трехфазной сети управляемого выпрямителя с активным характером нагрузки

Видим, что в отличие от схемы неуправляемого выпрямителя или управляемого, но работающего с углом a = 0, при a > 0 управляющие импульсы приходят на тиристоры поочередно с задержкой на угол управления a относительно моментов прохождения через ноль синусоид линейных напряжений вторичных обмоток трансформатора TV1. Эти моменты прохождения через ноль линейных напряжений соответствуют точкам пересечения напряжений ua(ωt), uв(ωt), uс(ωt) (точки ωt 1, ωt 3, ωt 5, … на рис. 1.9).

При a = 0 каждый тиристор проводит ток в течение одной трети () каждого периода питающей сети.

При a = 0 среднее выпрямленное напряжение U0max определяется как

(1.37)

где U2 – действующее значение напряжения отдельно взятой вторичной обмотки низшего напряжения, т. е. значения фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора ТV1 определяются как Ua = Ub = Uс = U2.

При a > 0, в зависимости от характера нагрузки и значения угла a в данной схеме, могут иметь место различные режимы работы.

Если угол a изменяется в диапазоне от 0 до (0° … 30°), то выпрямленный ток является непрерывным как при активной, так и при активно-индуктивной нагрузке. Для этого диапазона значений угла a при различном характере нагрузки среднее значение выпрямленного напряжения U0 определим в виде

(1.38)

Дальнейшее увеличение угла (a > ) при активной нагрузке приводит к прерыванию выпрямленного тока и появлению участков с нулевыми значениями (см. рис. 1.9).

Среднее значение напряжения при этом определится как

(1.39)

При активном характере нагрузки кривая выпрямленного тока i 0 (w t) повторяет кривую напряжения u 0 (w t), поэтому регулировочные характеристики определим в виде

(1.40)

1.3.6 Особенности работы трехфазного однотактного
управляемого выпрямителя на нагрузку индуктивного характера

При работе трехфазной схемы на нагрузку индуктивного характера ток через каждый тиристор течет одну третью часть периода. Кривая выпрямленного напряжения при углах регулирования a £ 30° такая же (рис. 1.10), как и в случае работы данной схемы на активную нагрузку (рис. 1.9). При a > 30° у кривой выпрямленного напряжения возникает интервал, когда выпрямленное напряжение u ₀ (wt) изменяет полярность, приобретая отрицательные значения (рис. 1.10). Поскольку индуктивность дросселя w L >> Rн, то в нагрузке течет постоянный ток i0(wt) = I0. Угол регулирования a изменяется от 0 º до 90 º.

Рисунок 1.10 – Диаграммы, иллюстрирующие процессы трехфазной однотактной схемы управляемого выпрямителя при индуктивном характере нагрузки

С целью уменьшения пульсации выпрямленного напряжения и уменьшения реактивной мощности, которая потребляется от сети, а следовательно для улучшения коэффициента мощности выпрямителя, в схему вводится дополнительный диод VD1 (см. рис. 1.6, г – его в технической литературе называют нулевой вентиль, обратный диод, разрядный диод и т.п.). Он открывается – переходит в открытое проводящее состояние – при изменении полярности выпрямленного напряжения.

Наличие дополнительного диода VD1 приводит к тому, что основная гармоника тока первичных обмоток трансформатора ТV1 оказывается смещенной относительно напряжения на угол a/2. При его отсутствии сдвиг фаз между током и напряжением в первичной цепи трансформатора составляет угол a. Из этого следует, что введение в схему управляемого выпрямителя дополнительного диода приводит к увеличению коэффициента мощности.