Управляемый выпрямитель

Управляемые выпрямители — устройство, схемы, принцип работы

Для регулировки выходного напряжения в цепях переменного тока с выпрямлением применяют управляемые выпрямители. Наряду с другими способами управления выходным напряжением после выпрямителя, такими как ЛАТР или реостат, управляемый выпрямитель позволяет добиться большего КПД при высокой надежности схемы, чего нельзя сказать ни о регулировании при помощи ЛАТРа, ни о реостатном регулировании.

Использование управляемых вентилей более прогрессивно и гораздо менее громоздко. Лучше всего на роль управляемых вентилей подходят тиристоры.

В исходном состоянии тиристор заперт, а возможных устойчивых состояний у него два: закрытое и открытое (проводящее). Если напряжение источника выше нижней рабочей точки тиристора, то при подаче на управляющий электрод импульса тока, тиристор перейдет в проводящее состояние, а следующие импульсы, подаваемые на управляющий электрод никак не отразятся на анодном токе, то есть цепь управления отвечает только за открывание тиристора, но не за его запирание. Можно утверждать, что тиристоры обладают значительным коэффициентом усиления по мощности.

Для выключения тиристора необходимо снизить его анодный ток, чтобы он стал меньше тока удержания, что достигается путем понижения напряжения питания или увеличением сопротивления нагрузки.

Тиристоры в открытом состоянии способны проводить токи до нескольких сотен ампер, но при этом тиристоры довольно инерционны. Время включения тиристора составляет от 100 нс до 10 мкс, а время выключения в десять раз больше — от 1 мкс до 100 мкс.

Чтобы тиристор работал надежно, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать 10 — 500 в/мкс, в зависимости от модели компонента, иначе может произойти ложное включение за счет действия емкостного тока через p-n переходы.

Чтобы избежать ложных включений, управляющий электрод тиристора всегда шунтируют резистором, сопротивление которого обычно лежит в диапазоне от 51 до 1500 Ом.

Помимо тиристоров для регулирования выходного напряжения в выпрямителях используют и другие полупроводниковые приборы: симисторы, динисторы и запираемые тиристоры. Динисторы включаются по напряжению, приложенному к аноду, и имеют они два электрода, как диоды.

Симисторы отличаются возможностью включения управляющими импульсами хоть относительно анода, хоть — относительно катода, однако все эти приборы, как и тиристоры, выключаются снижением анодного тока до значения ниже тока удержания. Что касается запираемых тиристоров, то они могут запираться подачей на управляющий электрод тока обратной полярности, однако коэффициент усиления при выключении в десять раз ниже, чем при включении.

Тиристоры, симисторы, динисторы, управляемые тиристоры, — все эти приборы используются в источниках питания и в схемах автоматики для регулирования и стабилизации напряжения и мощности, а также для целей защиты.

Как правило, в схемы управляемого выпрямления вместо диодов ставят именно тиристоры. В однофазных мостах точка включения диода и точка включения тиристора отличаются, имеет место разность фаз между ними, которую можно отразить рассмотрев угол.

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке нелинейно связана с этим углом, поскольку напряжение питания изначально синусоидальное. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке, подключенной после регулируемого выпрямителя может быть найдена по формуле:

Регулировочная характеристика тиристорного управляемого выпрямителя показывает зависимость выходного напряжения на нагрузке от фазы (от угла) включения моста:

На нагрузке индуктивного характера ток через тиристоры будет иметь прямоугольную форму, и при угле больше нуля будет происходить затягивание тока в связи с действием ЭДС самоиндукции от индуктивности нагрузки.

При этом основная гармоника сетевого тока будет сдвинута относительно напряжения на некоторый угол. Чтобы исключить затягивание применяют нулевой диод, через который ток может замыкаться и давать сдвиг меньше в два раза по отношению к углу включения моста.

Чтобы сократить количество полупроводников, прибегают к схеме несимметричного управляемого выпрямителя, где пара диодов заменяет собой нулевой диод, и результат получается тем же.

Схемы с вольтодобавкой также допускают применение тиристоров. Такие схемы позволяют достичь большего КПД. Минимальное напряжение дают диоды, а повышенное подается через тиристоры. В случае наивысшего потребления диоды все время закрыты, а угол включения тиристоров все время 0. Недостаток схемы — потребность в дополнительной обмотке трансформатора.

Управляемые выпрямители. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, что осуществляется с помощью автотрансформаторов

Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, что осуществляется с помощью автотрансформаторов, трансформаторов с подмагничиванием сердечника, реостатов или потенциометров, так и в цепи выпрямленного тока, что осуществляется с помощью управляемых выпрямителей.

Управляемые выпрямители – это устройства, которые позволяют плавно изменять значение выпрямленного напряжения.

Схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре показана на рисунке 1.24.

Рисунок 1.25 – Временные диаграммы входного напряжения U_вх, напряжения управления U_у и тока на нагрузке i_н

Управление величиной a осуществляют с помощью фазовращающей R2 C-цепи. Резистором R1 изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод VD1 обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных импульсов.

Оптимальной формой управляющих сигналов является короткий импульс с крутым фронтом, который обеспечивает четкое отпирание тиристора. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени используются импульсно-фазовые системы управления.

Рассмотрим схему однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ), показанную на рисунке 1.26.

Рисунок 1.26 – Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя на тиристорах с импульсно-фазовым блоком управления

Мостовой фазовращатель, состоящий из Rф, C1 и двух вторичных обмоток трансформатора с выводом средней точки, осуществляет сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению. С его выхода напряжение поступает на вход усилителей – ограничителей на транзисторах VT1 и VT2, причем диоды VD1 и VD2 срезают отрицательную полуволну этого напряжения. Далее выходные напряжения этих усилителей, имеющих трапециидальную форму, дифференцируются RC-цепочками. При этом получаются двуполярные импульсы малой длительности. Диоды VD3 и VD4 делают их однополярными.

Основными характеристиками управляемого выпрямителя являются:

— характеристика управления, которая выражает зависимость выпрямленного напряжения от угла управления U_н = f (a) (рисунок 1.27);

— внешние характеристики, которые определяют зависимость выпрямленного напряжения от выпрямленного тока при фиксированных значениях угла a (рисунок 1.28).

Трехфазные управляемые выпрямители являются выпрямителями средней и большой мощности.

Рассмотрим работу таких выпрямителей на примере двух схем:

— схема трехфазного выпрямителя с нулевым (или нейтральным) выводом (рисунок 1.29);

— схема трехфазного мостового выпрямителя (рисунок 1.32).

Такой выпрямитель обычно работает на активно-индуктивную нагрузку. Длительность работы тиристоров определяется углом управления a, значение которого задается импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).

Изменение угла a приводит к изменению средних значений выпрямленного напряжения U_нср и I_нср тока. Это видно на временных диаграммах при индуктивной нагрузке L_н = 0 (рисунок 1.30).

При угле управления a p / 6 в выпрямленном токе i_н появляются паузы.

Рассмотрим схему трехфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров. Тиристоры VS1, VS2, VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4, VS5, VS6 – в анодную группу. Также как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один из анодной группы, другой – из катодной. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180° сигнал, поступающий на тиристор анодной группы.

188.64.173.24 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Управляемые выпрямители, схемы выпрямления, методы регулирования напряжения

Основой управляемого выпрямителя являются тиристоры, трансформатор и система управления тиристорами. Схемы управляемых выпрямителей повторяют схемы обычных выпрямителей, но с помощью тиристоров при этом решаются задачи плавного регулирования среднего значения выпрямленного напряжения в результате изменения угла управления (регулирования) а, задающего момент включения тиристоров относительно точки естественной коммутации.

Управляемые выпрямители выполняют также функцию бесконтактного коммутационного аппарата, обеспечивающего отключение цепи нагрузки от сети в случае аварийного нарастания тока снятием импульсов управления с тиристоров.

Если в выпрямителе применяются только управляемые тиристоры, такой выпрямитель называется полностью управляемым или

симметричным. Тиристорно-диодные выпрямители выполняются по управляемым несимметричным схемам.

Управляемые выпрямители подразделяются на:

• — однофазные однополупериодные;
• — однофазные мостовые: с полным числом тиристоров и с неполным числом, т.е. 2 тиристора, 2 диода;
• — трехфазные с выводом от средней точки трансформатора и мостовые.

Рассмотрим работу простейшей схемы однополупериодного управляемого выпрямителя (рис. 3.10, а) работающего на активную нагрузку.

Положительная полуволна по отношению к тиристору VS имеет прямую полярность, но в отличие от обычного диода тиристор мо-

Рис. 3.10. Схема однополупериодного управляемого выпрямителя (а) и его временные диаграммы (б)

жет включиться только при подаче на его управляющий электрод сигнала управления от управляющего устройства — блока управления (БУ). До поступления сигнала тиристор будет находиться в закрытом состоянии и тока пропускать не будет, несмотря на то что к его аноду приложен положительный потенциал относительно катода.

Управляющий ток в положительный полупериод e(t) включает тиристор; в отрицательный полупериод включение тиристора не происходит.

Среднее и действующее значение выпрямленного тока (напряжения) могут регулироваться в широких пределах за счет изменения фазы подачи управляющего тока (угла регулирования а).

Представленная схема имеет в своем составе схему управления, которая в значительной степени усложняет ее, так как требуется достаточно точная синхронизация по частоте управляющего тока с частотой выпрямляемого напряжения.

Временные диаграммы представлены на рис. 3.10, б.

Регулирование среднего напряжения на выходе выпрямителя для однополупериодного выпрямителя определяется формулой

напряжение можно регулировать в пределах

0 +—U при изменении угла регулирования к вх

Рис. 3.11. Регулировочная характеристика однополупериодного управляемого выпрямителя

Регулировочная характеристика однополупериодного управляемого выпрямителя показана на рис. 3.11.

На рис. 3.12 представлены схема и временные диаграммы управляемого двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой.

При подаче напряжения на первичную обмотку трансформатора во вторичной обмотке будет возникать синусоидальное напряжение, кото-

Рис. 3.12. Управляемый двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой (а) и его временные диаграммы (б)

рое в первый полупериод прикладывается к тиристору VS1, а во второй — к тиристору VS2, но так как тиристоры выключены, ток в нагрузке будет равен нулю.

Если на анод тиристора VS1 подать положительный потенциал первого полупериода, а на управляющий электрод — отпирающий импульс, то тиристор VS1 открывается и через него на нагрузку потечет ток /_VS1. При этом тиристор VS2 закрыт, так как к нему приложено обратное напряжение. При изменении направления тока на противоположное тиристор VS1 закрывается обратным напряжением, а тиристор VS2 при подаче на его управляющий электрод импульса открывается. Тогда через тиристор VS2 и нагрузку потечет ток /_VS2.

Для изменения выпрямленного напряжения необходимо изменять угол регулирования а, т.е. сдвигать по фазе управляющие импульсы U относительно напряжения на анодах тиристоров. Угол регулирования а необходимо изменять от 180° до нуля. При максимальном угле открытия на выходе будет минимальное значение выпрямленного напряжения, и наоборот, при минимальном угле регулирования на выходе управляемого выпрямителя будет максимальное значение напряжения.

Процесс перехода тока от одной ветви схемы к другой, в результате чего меняется контур электрического тока, называется коммутацией. Выше была рассмотрена работа выпрямителей без учета влияния на их работу анодной индуктивности, при этом считалось, что происходит мгновенное переключение тока.

Переключение тиристоров в каждой схеме происходит в строго определенной последовательности. Наличие анодной индуктивности задерживает выключение соответствующего тиристора и обусловливает появление интервала коммутации, который называется углом коммутации и обозначается у.

На интервале коммутации одновременно проводят ток тиристоры, аноды или катоды которых объединены в общую точку, а другие выводы связаны с разными фазами трансформатора. Коммутация сопровождается внутренним междуфазным коротким замыканием. Возникающий ток короткого замыкания /_кз вычитается из тока тиристора, выходящего из работы, и прибавляется к току тиристора, вступающего в работу. Процесс коммутации влияет на форму кривых выпрямленного напряжения и токов в диодах и обмотках трансформатора, а также сказывается на среднем значении и гармоническом составе выпрямленного напряжения.

На рис. 3.13 представлены схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя и временные диаграммы. Все происходящие процессы симметричны и характеристики выпрямителя благоприятны в широком диапазоне регулирования.

От схемы управления СУ подаются сдвоенные (с интервалом тс/3—60°) импульсы или пакеты импульсов длительностью более п/3. Такой алгоритм следования импульсов необходим для одновременного отпирания одного тиристора в катодной и одного тиристора в

Рис. 3.13. Мостовой шестиимпульсный управляемый выпрямитель (а) и его временные диаграммы (б)

анодной группах, чтобы образовалась непрерывная цепь нагрузки при включении выпрямителя и в режиме прерывистого тока при глубоком регулировании. Среднее значение выпрямленного напряжения U_da определяется линией на диаграмме u_df((ot).

На рис. 3.14 приведены кривые выпрямленного напряжения при работе мостового шестиимпульсного выпрямителя при углах управ-

Рис. 3.14. Временные диаграммы шестиимпульсного управляемого выпрямителя при различных углах управления

5.4. Управляемые выпрямители

На практике часто требуется стабилизация выходного на­пряжения либо регулирование его в широких пределах. Для необходимого в этих случаях изменения величины выпрямлен­ного напряжения используют ряд технических решений, основ­ными из которых следует считать:

— изменение напряжения на выходе выпрямителя с помощью регулятора переменного напряжения (автотрансформатора, дросселя насыщения, тиристорного регулятора);

— регулирование выпрямленного напряжения с помощью регу­ляторов постоянного напряжения;

— регулирование выпрямленного напряжения за счет приме­нения выпрямителей на управляемых вентилях (управляемых выпрямителей).

Применение управляемых выпрямителей позволяет умень­шить габариты и стоимость преобразователей по сравнению со схемами, использующими автотрансформаторы и дроссели на­сыщения. Наибольшее применение в качестве управляемых вентилей нашли тиристоры.

Однофазный управляемый выпрямитель. Схема однофазного двух полупериодного управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.8, а.

Работа управляемого выпрями­теля во многом зависит от характера нагрузки Рассмотрим работу схемы на активную нагрузку (L_H = 0). Использование в схеме выпрямителя управляемых вентилей позволяет задерживать начало прохождения тока через оче­редной, вступающий в работу вентиль по отношению к момен­ту его естественного отпирания. Если на управляющий электрод вентиля V1 в момент t = 0 подать отпирающий импульс, то вентиль V1 включится с некоторой за­держкой. Угол задержки, отсчитываемый от момента естествен­ного включения вентиля, выраженный в электрических граду­сах, называется углом управления и обычно обозначается бук­вой α. В результате в интервале 0 – ωt напряжение на сопротив­лении R_Н будет равно нулю (оба вентиля в закрытом состоя­нии) В момент включения вентиля V1 напряжение на нагрузке cкачком возрастет и далее будет изменяться по синусоиде фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

. В момент перехода напряжения через нуль оно сменит знак, и тиристор выключится. Через отрезок времени, в который угол управления станет равным α, включится второй тиристор, но при снижении напряжения до нуля он выключится. Далее процессы будут повторяться.

Схема трехфазного управляемого выпря­мителя со средней точкой показана на рис. 5.9, а. Кривые выпрямленного напряжения для режима работы схемы на активную нагрузку при двух различных углах управления показаны на рис. 5.9, б,в. Нетрудно заметить, что имеются две характерные области управления.

Рис. 5.8. Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (а), токи и напряжения на элементах схемы при работе на активную (б, в) и активно-индуктивную (г, д) нагрузки

Первая находится в диапазоне углов π/6 > α > 0 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока, а вторая начинается при углах α > π/6, причем в кривой выпрям­ленного тока в этом случае возникают паузы, в течение кото­рых мгновенное значение выпрямленного тока равно нулю. Среднее выпрямленное напряжение в первой области регулирования

(5.7)

Каждый вентиль работает в этом случае треть периода.

Во второй области регулирования ток через вентиль обры­вается при прохождении мгновенного выпрямленного напряже­ния через нуль. Длительность прохождения тока через вентиль меньше λ и равна 2π/3, так как λ = π – α – π⁄6.

Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае определяется следующей формулой:

. (5.8)

Как видно из последней формулы, предельным углом управ­ления является угол α =150°.

Рис. 5.9. Схема трехфазного управляемого выпрямителя со средней точкой (а) и кривые напряжения на элементах схемы (б–д)

Среднее выпрямленное напряжение для режима работы со сглаженным выпрямленным током

(5.9) Предельный угол управления α = 90°. На рис. 5.9, д показа­но изменение напряжения на вентиле для угла управления α = π/3.

Максимальное обратное напряжение на вентиле U_обр =2,45U_21.

Максимальное прямое напряжение на вентиле U_пр.мах =U₂₁ sinα.

Вследствие некоторой специфики работы системы управле­ния вентилями трехфазной управляемой мостовой схемы при работе на активную нагрузку целесообразно рассмотреть ре­жим работы при L_н = 0.

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 5.10, а.

Рис. 5.10. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель (а), кривые фазного (б) и выпрямленного (в) напряжений при работе на активную нагрузку

На рис. 5.10, б и в изображены кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора и кривые выпрямленного напряжения схемы для трех значений угла управления α. Сле­дует отметить, что для работы мостовой схемы необходимо по­давать на вентили управляющие импульсы длительностью боль­ше 60° или сдвоенные импульсы.

Причина такого требования становится ясной из рассмотрения принципа работы схемы. В случае использования одиночных импульсов с длительностью меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два вентиля в анодной и ка­тодной группах.

Кроме того, как видно из рис. 5.10, б, при углах управления α > 60° при активной нагрузке в кривой выпрямлен­ного напряжения появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной, вступающий в работу, вентиль подавать повторный управляющий импульс на соответствующий вентиль в противо­положном плече или же использовать импульсы с длительностью больше 60°.

Кривая выпрямленного напряжения (рис. 5.10, в) в диапазоне изменения угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления α > 60° ток нагрузки становится прерывистым.

Предельным углом регулирования является в этом случае угол α_п=120°.

Наибольший интерес представляет режим работы схемы со сглаженным током (L_Н=∞) [8]. В этом случае ток нагрузки непре­рывен во всём диапазоне управления. На рис. 5.11, а и б показан характер изменения выпрямленного напряжения и токов.

Токи вентилей V1, V2, V3 показаны условно выше нулевой линии, а токи вентилей V4, V5, V6 ниже.

На интервале от t₁ до t₂ включен вентиль V1 (см. рис. 5.13,а). По­тенциал катода вентиля по от­ношению к нулевой точке из­меняется по синусоиде фазного напряжения U_α, причем в на­чале интервала он положите­лен, а в конце отрицателен. В момент t₂ включается вен­тиль V2 и ток переходит на него. В интервале t₂—t₃ ток нагрузки проходит через вен­тиль VЗ. В момент t₃ вступа­ет в работу вентиль V3 и ра­ботает до момента t₄. Сред­нее выпрямленное напряжение для всего диапазона управле­ния U_Hα = U₀cosα. Угол регу­лирования 90°.

Данная схема выпрямления является наиболее распростра­ненной, так как позволяет об­ходиться без трансформато­ра и имеет по сравнению с трехфазной нулевой схемой (см. рис. 5.11, а и б) вдвое большую частоту пульсаций. Недостатками схемы явля­ются большое число управляемых вентилей и сложность систе­мы управления, в частности, из-за необходимости изолировать цепи управления вентилей анодной группы.

На практике находит применение схема выпрямителя с не­симметричным управлением (или «полууправляемая» мосто­вая схема), в которой управление осуществляется только вен­тилями катодной группы, а в анодную группу установлены не­управляемые вентили.

Среднее значение выпрямленного напряжения схемы с не­симметричным управлением

(5.10)

Следовательно, диапазон изменения угла регулирования при несимметричном управлении увеличился до 180°.

Рис. 5.11. Кривые фазного (а) и выпрямленного (б) напряжения

Тиристорные преобразователи (ТП) для двигателей постоянного тока (ДПТ) выпускаются многими фирмами во всех странах. Наиболее совершенны ТП фирмы Siemens, которые выпускаются на ток от 15 до 2000 А, комплектно для цепи якоря и возбуждения [9]. Якорный контур выполняют по управляемой схеме. Если требуется реверсивный ТП, то используют двух- мостовые схемы. Питание ТП производится от трёхфазной сети 0,4; 0,6 кВ. Контур возбуждения выполняют по полу управляемой мостовой схеме питаемой от сети 220/380 В.

При управлении и регулировании также играют роль и вспомогательные функции, выполняемые микропроцессорной системой. Ввод заданий, режимов работы может производиться в цифровом и аналоговом виде.

Панель управления содержит: светодиоды состояния и кнопки ввода параметров, кнопки вверх, вниз, светодиоды готов, работа, сбой. Комфортные панели содержат жидкокристаллический дисплей 4*16. Предусмотрено управление через ПК, подключаемый к преобразователю через интерфейс.

Функции регулирования в якорном контуре. Скорость двигателя задаётся через: аналоговый сигнал U = 0-10В или I = 0-20 mА; встроенный потенциометр; последовательный интерфейс; дополнительный модуль. Контроль скорости идёт через: тахометр ТГ с U = 8/250 В. Возможна работа без тахометра, контролем ЭДС ДПТ. Функциональная схема ТП для питания якорной цепи приведена на рис. 5.12.

Рис. 5.12. Функциональная схема ТП для ДПТ

Функции регулирования в контуре возбуждения. Регулятор ТП сравнивает текущие значения U и ЭДС. двигателя и вырабатывает задание для регулирования тока возбуждения.

В схеме ТП приведенной на рис. 5.12 управление напряжением на двигателе осуществляет микропроцессор МК в соответствии с заданием, программой и сигналами ОС по току, скорости и ЭДС двигателя. Микропроцессорный контроллер управляет тиристорным выпрямителем UZ, выполненным по схеме Ларионова; пульсации напряжения фильтруются LC фильтром.