Лекция No 3

Работа однофазных вентильных схем

1. Однополупериодная схема выпрямления

Рассмотрим простейшую схему выпрямления тока.

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямления (а) и кривые токов и напряжений (б)

В промежутке времени (0-01) к вентилю VD подводится положительное напряжение и через вентиль протекает ток прямого направления. Этот промежуток называется проводящим полупериодом, а ток - прямым током (рис.1).

В промежутке (01-02) разность потенциалов между анодом и катодом вентиля отрицательна, и через вентиль протекает незначительный ток . Промежуток (01-02) называется непроводящим полупериодом, а ток – обратным током.

Обозначим через сопротивление вентиля в проводящем полупериоде, а через – сопротивление вентиля в непроводящем полупериоде. В промежутке (0-01) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где

- падение напряжения в вентиле;

- выпрямленное напряжение на зажимах приемника энергии.

В промежутке (01-02) напряжение вторичной обмотки трансформатора

,

где - обратное напряжение на вентиле.

Для большинства типов вентилей обратный ток и падение напряжения незначительны и ими пренебрегают, тогда в проводящем полупериоде

,

а в непроводящем полупериоде

.

В любой вентильной схеме выпрямленный ток имеет пульсирующий характер и наряду с постоянной составляющей содержит переменную составляющую . Переменная составляющая представляет сумму высших гармоник выпрямленного тока. Аналогично, выпрямленное напряжение содержит постоянную и переменную составляющие.

Для схемы рис.1 примем следующие обозначения:

– мгновенные значения напряжений и токов первичных и вторичных обмоток трансформатора.

Мгновенное значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора

где и – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора, и – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Кривые выпрямленного тока и напряжения представляют собой полусинусоиды (рис.2), поэтому схема называется однополупериодной.

Рис.2. Кривые токов и напряжений в схеме рис.1

Мгновенное значение выпрямленного тока

В первом полупериоде

;

;

;

.

Замечание. При работе выпрямителя на нагрузку и в режиме непрерывного тока при работе на якорную цепь двигателя действительно предложенное выражение для средневыпрямленного напряжения: Средневыпрямленное напряжение преобразователя или постоянная составляющая выпрямленного напряжения – это отношение интеграла по кривой выпрямленного напряжения к периоду повторяемости.

откуда

Так как обычно напряжение сетевое задано, коэффициент трансформации

Постоянная составляющая выпрямленного, или анодного, тока

Амплитуда тока через вентиль

Амплитуда обратного напряжения

По полученным значениям

из каталога выбираем соответствующий вентиль с его эксплуатационными параметрами, заданными заводом-изготовителем (фирмой).

Сумма первичных и вторичных рабочих намагничивающих сил трансформатора в рассматриваемой схеме отличается от нуля, т.е. имеем магнитно-неуравновешенную систему. Постоянные намагничивающие силы создают постоянный магнитный поток, который может вызвать значительное насыщение магнитной системы, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и, соответственно, расчетной мощности. Во избежание этого нежелательного явления магнитную систему трансформатора рассчитывают с учетом постоянной составляющей потока.

Увеличенная расчетная мощность трансформатора и наличие значительных высших гармоник в выпрямленном токе ограничивают широкое распространение рассматриваемой вентильной схемы [1,2,3,4].

2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.

В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис.3,а, при этом подразумевается, что в схемах рис.3,а и рис.3,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.

Рис.3. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой

Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

Действующие значения напряжения через коэффициент схемы

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока через один вентиль

Амплитуда тока вентиля

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

,

,

а его амплитуда

Мгновенное значение первичного тока

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

Мощность трансформатора

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .

Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

тогда мощность трансформатора

Амплитуда анодного тока вентиля .

Остальные параметры вентилей такие же, как и при .

Рис.4. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10

3. Работа схемы рис.3 на активную нагрузку при углах управления

Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля подается управляющий импульс (рис.5). Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений

двух вторичных полуобмоток.

Рис.5. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле

Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент

.

Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент

он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.

Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей (), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.

Из рис.5 видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться.

Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:

Обозначив через найденное по выражению (9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя (), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:

Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).

Среднее значение выпрямленного тока

В соответствии с (19) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля.

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.

Рис.6. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

Заштрихованная область на рис.6 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения

.

Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При

режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 на рис.6).

ЛИТЕРАТУРА

1. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. – М.: Высш. шк., 1980. – 424 с.

2. Каганов И.Л. Промышленная электроника. – М.: Высш. шк., 1968. – 560 с.

3. Зиновьев Г.С. Основы преобразовательной техники. – Новосибирск: НЭТИ, 1981. – 115 с.

4. Архангельский Н.Л., Курнышев Б.С. Характеристики полупроводниковых преобразователей/ Иван. гос. энерг. ун-т. – Иваново, 2000. – 72 с.

Контрольные вопросы

1. За счет чего изменяется величина тока через вентиль в однополупериодной схеме с и ?

2. Что такое регулировочная характеристика вентильного преобразователя?

3. Когда применять уравнения граничных кривых регулировочной характеристики?

4. Чем обусловлена разница в мощности трансформатора при активной и активно-индуктивной нагрузке?

5. Два выпрямителя, показанные на рис.1 и рис.3 имеют одно и то же среднее напряжение на выходе

.

Сопоставить токи нагрузки диодов и обратные напряжения, если известно, что

,

.

Ответ:

1) , . 2) , .

6. Для схемы рис.3 найти разницу между амплитудами (анодного) нагрузочного тока вентиля при активной и индуктивной нагрузке, если известно, что

,

.

Ответ:

5,7 А.

7. Найти мощность трансформатора схемы рис.1 и рис.3, если известно, что

,

.

Ответ:

5 кВА.