Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования входною переменного напряжения в постоянное. Основным блоком выпрямителя является вен пильный комплект, который непосредственно выполняет преобразования переменного напряжения в постоянное.
При необходимости согласования параметров сети с параметрами нагрузки, выпрямительный комплект подключается к сети через согласующий трансформатор. По числу фаз питающей сети выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Подробнее смотрите здесь - Классификация полупроводниковых выпрямителей. В этой статье рассмотрим работу однофазных выпрямителей.
Однофазный однополупериодный выпрямитель
Простейшей схемой выпрямителя является однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 1).
Рис. 1. Схема однофазного управляемого однополупериодного выпрямителя
Диаграммы работы выпрямителя на R-нагрузку показаны на рисунке 2.
Рис. 2. Диаграммы работы выпрямителя на R-нагрузку
Для того, чтобы открыть тиристор, необходимо выполнение двух условий:
1) потенциал анода должен быть выше потенциала катода;
2) на управляющий электрод должен быть подан открывающий импульс.
Для данной схемы одновременное выполнение этих условий возможно лишь в положительные полупериоды питающего напряжения. Система импульсно-фазового управления (СИФУ) должна формировать открывающие импульсы лишь в положительные полунериоды питающего напряжения.
При подаче на тиристор VS1 открывающего импульса в момент времени θ = α тиристор VS1 открывается и к нагрузке прикладывается напряжение питания U1 в течение оставшейся части положительного полупериода (прямое падение напряжения на вентиле ΔUв пренебрежимо мало по сравнению с напряжением U1 (ΔUв = 1 - 2 В)). Поскольку нагрузка R - активная, то ток в нагрузке повторяет форму напряжения.
В конце положительного полупериода ток нагрузки i и вентиля VS1 уменьшатся до нуля (θ = nπ), а напряжение U1 изменит свой знак. Таким образом, к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, под действием которого он закрывается и восстанавливает свои управляющие свойства.
Такая коммутация вентиля под действием напряжения источника питания, периодически изменяющего свою полярность, называется естественной.
Из диаграмм видно, что изменение а приводит к изменению части положительного полупериода, в течение которого напряжение питания приложено к нагрузке, и, следовательно, это приводит к регулированию потребляемой мощности. Угол α характеризует задержку момента открывания тиристора по отношению к моменту его естественного открывания и называется углом открывания (управления) вентиля.
ЭДС выпрямителя и ток представляют собой следующие друг за другом отрезки положительных полусинусоид, постоянных по направлению, но непостоянных по величине, т.е. выпрямленные ЭДС и ток имеют периодический пульсирующий характер. А каждую периодическую функцию можно разложить в ряд Фурье:
e(t) = E + en(t),
где Е — постоянная составляющая выпрямленной ЭДС, en(t) — переменная составляющая, равная сумме всех гармонических составляющих.
Таким образом, можно считать, что к нагрузке приложено постоянная ЭДС искаженная переменной составляющей en(t). Постоянная составляющая ЭДС Е является основной характеристикой выпрямленной ЭДС.
Процесс регулирования напряжения на нагрузке путем изменения называется фазовым регулированием. Данная схема имеет ряд недостатков:
1) высокое содержание высших гармонических в выпрямленной ЭДС;
2) большие пульсации ЭДС и тока;
3) прерывистый режим работы схемы;
4) низкий коэффициент использования схемы по напряжению (kсхе =0,45).
Режимом прерывистого тока работы выпрямителя называется такой режим, при котором ток в цепи нагрузки выпрямителя прерывается, т.е. становится равным нулю.
Однофазный однонополупериодный выпрямитель при работе на активно-индуктивную нагрузку
Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку представлены на рис. 3.
Рис. 3. Диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку
Для анализа процессов, протекающих в схеме, выделим три интервала времени.
1. α < θ < δ. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 4.
Согласно схеме замещения:
На этом интервале времени eL (ЭДС самоиндукции) направлена встречно напряжению сети U1 и препятствует резкому нарастанию тока. Энергия из сети преобразуется в тепловую на R и накапливается в электромагнитном поле индуктивности L.
2. α < θ < π. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 5.
На этом интервале ЭДС самоиндукции eL поменяла свой знак (в момент времени θ = δ).
При θ δ eL меняет свой знак и стремится поддержать ток в цепи. Она направлена согласно с U1. На этом интервале энергия из сети и накопленная в поле индуктивности L преобразуются в тепловую в R.
3. π < θ < α + λ. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 6.
Рис. 6 Схема замещения
В момент времени θ = π напряжение сети U1 меняет свою полярность, но тиристор VS1 остается в проводящем состоянии, так как eL превышает U1 и на тиристоре сохраняется прямое напряжение. Ток под действием eL будет протекать по нагрузке в том же направлении до тех пор, пока энергия, накопленная в поле индуктивности L, полностью не израсходуется.
На этом интервале часть энергии, накопленной в поле индуктивности, преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть отдается в сеть. Процесс передачи энергии из цепи постоянного тока в цепь переменного тока называется инвертированием. Об этом свидетельствуют разные знаки е и i.
Длительность протекания тока на участке отрицательной полярности U1 зависит от соотношения между величинами L и R (XL=ωL). Чем больше отношение — ωL/R, тем больше продолжительность протекания тока λ.
Если в цепи нагрузки есть индуктивность L, то форма тока становится более гладкой и ток протекает даже на участках отрицательной полярности U1. Тиристор VS1 при этом закрывается не в момент перехода напряжения U1 через 0, а в момент спадания тока до нуля. Если ωL/R→оо, то при α = 0 λ→2π.
Принцип действия однофазного мостового выпрямителя в непрерывном режиме при работе на активную и активно-индуктивную нагрузки
Силовая схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 7, а временные диаграммы его работы на активную нагрузку - на рис. 8.
Вентильный мост (рис. 7) содержит две группы вентилей — катодную (нечетные вентили) и анодную (четные вентили). В мостовой схеме ток проводят одновременно два вентиля - один из катодной группы и один из анодной.
Как видно из рис. 7 вентили включаются так, что в положительные полупериоды напряжения U2 ток протекает через вентили VS1 и VS4, а в отрицательные полупериоды — через вентили VS2 и VS3. Принимаем допущения, что вентили и трансформатор идеальные, т.е. Lтp = Rтp = 0, ΔUB = 0.
Рис. 7. Схема однофазного мостового выпрямителя
Рис. 8. Диаграммы работы однофазного мостового управляемого выпрямителя на активную нагрузку
В данной схеме в каждый момент времени проводит ток одна пара тиристоров VS1 и VS4 в положительные полупериоды U2 и VS2 и VS3 в отрицательные. Когда все тиристоры закрыты, то к каждому из них прикладывается половина напряжения питания.
При θ =α открываются VS1 и VS4 и по нагрузке начинает протекать ток через открывшееся VS1 и VS4. К работавшим ранее VS2 и VS3 прикладывается полное напряжение сети в обратном направлении. При в = л-, U2 меняет свой знак и поскольку нагрузка активная, то ток становится равным нулю, а к VS1 и VS4 прикладывается обратное напряжение и они закрываются.
При θ =π +α открываются тиристоры VS2 и VS3 и ток по нагрузке продолжает протекать в том же направлении. Ток в данной схеме при L=0 имеет прерывистый характер и лишь при α=0 ток будет гранично-непрерывным.
Гранично-непрерывным режимом называется режим, при котором ток в некоторые моменты времени снижается до нуля, но не прерывается.
Uпр.мах = Uобр.мах = √2U2(с трансформатором),
Uпр.мах = Uобр.мах = √2U1(без трансформатора).
Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку
R-L нагрузка типична для обмоток электрических аппаратов и обмоток возбуждения электрических машин, или когда на выходе выпрямителя установлен индуктивный фильтр. Влияние индуктивности сказывается на форме кривой тока нагрузки, а также на среднем и действующем значениях тока через вентили и трансформатор. Чем больше индуктивность цепи нагрузки, тем меньше переменная составляющая тока.
Для упрощения расчетов полагают, что ток нагрузки идеально сглажен (L→оо). Это правомерно, когда ωпL > 5R, где ωп - круговая частота пульсаций на выходе выпрямителя. При выполнении данного условия ошибка в расчётах незначительна и может не приниматься во внимание.
Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку представлены на рис. 9.
Рис. 9. Диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при работе на RL-нагрузку
Для рассмотрения процессов, протекающих в схеме, выделим три участка работы.
1. α . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 10.
На рассматриваемом интервале энергия из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть накапливается в электромагнитном поле индуктивности.
2. α < θ < π. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 11.
В момент времени θ = δ ЭДС самоиндукции eL = 0, т.к. ток достигает максимального значения.
На этом интервале энергия, накопленная в индуктивности и потребляемая из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R.
3. π < θ < α + λ. Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 12.
На этом интервале часть энергии, накопленная в поле индуктивности, преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть возвращается в сеть.
Действие ЭДС самоиндукции на 3-м участке приводит к появлению участков отрицательной полярности в кривой выпрямленной ЭДС, а разные знаки е и i свидетельствуют о том, что на этом интервале происходит возврат электрической энергии в сеть.
Если к моменту времени θ = π + α энергия, накопленная в индуктивности L, полностью не израсходована, то ток i будет иметь непрерывный характер. При подаче в момент времени θ = π + α открывающих импульсов на тиристоры VS2 и VS3, к которым со стороны сети приложено прямое напряжение, они открываются и через них к работавшим VS1 и VS4 прикладывается обратное напряжение со стороны сети, вследствие чего они закрываются, такой вид коммутации называется естественной.