Лекция No 8

Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей

1. Коммутация в однофазных схемах

В реальных схемах из-за наличия во входной цепи переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности индуктивных сопротивлений обмоток согласующего трансформатора или входных реакторов, процесс коммутации имеет определенную длительность, т.е. процесс перехода тока с одного вентиля на другой происходит не мгновенно, а с некоторой постоянной времени контура коммутации.

Рис.1. Процессы коммутации: а - схема; б – осциллограммы

Помимо индуктивного сопротивления, на процессы коммутации влияет и входное активное сопротивление обмоток трансформатора, но его влияние в нормальных режимах значительно меньше. Поэтому рассмотрим процессы коммутации с учетом только входных индуктивных сопротивлений (), полагая при этом выпрямленный ток идеально сглаженным ().

Учитывая одинаковый характер процессов коммутации в различных вентильных схемах, остановимся на наиболее простой схеме выпрямления – однофазной двухполупериодной (рис.1,а).

Индуктивные сопротивления обмоток силового трансформатора учтены введением в схему индуктивностей ; и – мгновенные значения ЭДС вторичных полуобмоток.

Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль . В момент поступает отпирающий импульс на вентиль .

Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается (рис.1,б).

Начиная с момента оба вентиля будут включены, и вторичные полуобмотки трансформатора оказываются замкнутыми через вентили и накоротко. Под воздействием ЭДС вторичных полуобмоток и в короткозамкнутой цепи (контур коммутации) возникает ток короткого замыкания , который является коммутирующим током.

Этот ток можно в любой момент времени, начиная с , определить как сумму двух составляющих: установившейся и свободной , которые рассчитываются по следующим соотношениям:

;

,

где – действующее значение напряжения вторичной полуобмотки трансформатора; ; - угол управления.

Результирующий ток короткого замыкания можно записать в виде

.

Учитывая, что выпрямленный ток при в период коммутации остается неизменным, можно записать для узла 0 или следующее уравнение токов:

,

где – среднее значение выпрямленного тока или тока нагрузки. Последнее уравнение справедливо для любого момента времени. Пока ток проводит только вентиль , получаем

; .

В интервале коммутационного процесса () от до ток плавно увеличивается, а уменьшается. Когда ток будет равным , а ток снизится до нуля, вентиль выключится, и ток нагрузки будет протекать лишь через вентиль .

Длительность интервала коммутации характеризуется обычно углом коммутации , который может быть определен для рассмотренной схемы из следующего уравнения:

Обозначив угол коммутации при угле через , можно записать

подставив (2) в (1) получим

Замечание 1. Длительность протекания тока в вентилях по сравнению с идеализированной схемой увеличивается на угол и становится равной .

Замечание 2. Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение , так как на интервалах коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме снижается до нуля. В результате этого происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения на .

Для нашего случая имеем , таким образом, падение напряжения в коммутационном интервале выразится как

или

но

,

где

При непрерывных токах, т.е. токах, при которых существуют коммутационные провалы напряжения , имеем регулировочную характеристику (рис.2).

Рис.2. Регулировочные характеристики

Процедура определения угла коммутации по регулировочной характеристике (рис. 2):

• находим и откладываем ее на регулировочной характеристике,

• от точки откладываем ,

• проводим прямую, и, опустив перпендикуляры на ось , получаем угол коммутации .

Среднее значение выпрямленного напряжения для рассмотренной схемы

.

Рассмотренный принцип нахождения угла коммутации применим к любой схеме, но при условии непрерывного тока .

Замечание 3. Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава (5-8%). Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока (тока, забираемого из сети), потребляемого выпрямителем.

2. Влияние процесса коммутации в других схемах.

Однофазная мостовая схема по принципу действия подобна однофазной двухполупериодной схеме, рассмотренной ранее (рис.3).

Рис.3. Мостовая однофазная схема

Отличие состоит в том, что при коммутации тока в этой схеме возникают два контура коммутации, каждый из которых состоит из двух вентилей и вторичной обмотки трансформатора: один контур – из вентилей и , а другой – из . Ток распределяется между этими контурами поровну (рис.3).

Для мостовой схемы имеем

; .

Среднее значение выпрямленного напряжения

,

где

В многофазных схемах () возникают частичные контуры короткого замыкания между отдельными фазами. При этом мгновенное значение выпрямленного напряжения не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи. Так, для трехфазных схем со средней точкой и мостовой мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока между вентилями фаз и равно

,

где и – мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Длительность протекания тока через вентили увеличивается на угол и становится равной . В схемах со средней точкой и трехфазной мостовой угол коммутации связан с выпрямленным током и углом следующим соотношением:

.

Рис.4. Процесс коммутации в трехфазной схеме

Падение напряжения , на которое уменьшаются средние значения выпрямленного напряжения, равно:

Часто встречается выражение , что не всегда оправдано, т.к. есть еще коэффициент схемы.

3. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т.е. .

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением выпрямителя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено активным сопротивлением схемы выпрямителя , падением напряжения в вентилях и индуктивным сопротивлением , которое проявляется при процессах коммутации.

Соответственно внешнюю характеристику выпрямителя (при ) можно записать в виде следующего уравнения:

,

где     находится по выражениям (7-9);

; ; ; – падение напряжения на вентилях (0.5...2)В. - в режиме непрерывных токов; - из регулировочной характеристики для каждого частного случая; - при работе выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока [1].

4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС

Рассмотрим влияние противо-ЭДС на электромагнитные процессы в схеме выпрямителя на примере однофазной схмы со средней точкой, в цепь постоянного тока которой включена аккумуляторная батарея с ЭДС Е₀ и внутренним сопротивлением R_d (рис.5,а).

Рис.5. Выпрямитель с противо-ЭДС: а – схема, б – диаграммы напряжения и тока

Предположим, что ключ замкнут, т.е. индуктивность отсутствует. В этом случае ток в нагрузке начинает протекать, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения превышает ЭДС (рис.5,б), так как только при этом условии к вентилям схемы будет приложено прямое напряжение, и они будут проводить ток.

Ток i_d, протекающий в этом случае в цепи нагрузки, можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:

Очевидно, что интервал проводимости вентилей будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора и противо-ЭДС . Тогда интервал проводимости вентилей можно записать в виде

.

Учитывая, что отсчет ведется от максимума выпрямленного напряжения, можно записать

или

.

Подставляя (11) в (10), получаем следующее выражение для мгновенного значения тока в нагрузке:

.

Среднее значение выпрямленного тока (постоянную составляющую) можно определить из соотношения

Для схемы -фазного выпрямителя уравнение (12) принимает вид

где – амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Если в цепь постоянного тока включена индуктивность (ключ разомкнут), то пульсация выпрямленного тока уменьшается и при становится равной нулю. В этом случае можно записать

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения из регулировочной характеристики.

Пример. Рассчитать интервал проводимости и среднее значение тока вентилей неуправляемого выпрямителя, выполненного по однофазной схеме со средней точкой и работающего на противо-ЭДС.

Исходные данные следующие:

Определим по (11) угол отсечки вентилей :

.

Тогда интервал проводимости вентилей

.

Среднее значение выпрямленного тока

.

Среднее значение тока вентиля равно

.

ЛИТЕРАТУРА

1. Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Системы управления электроприводами. Практ. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. – 156 с.

Контрольные вопросы

1. На какие параметры схем выпрямления влияют коммутационные процессы?

2. От каких параметров схем выпрямления зависит падение напряжения в коммутационный период?

3. Что понимаем под внешней характеристикой, и какие параметры схемы влияют на ее характер?

4. Каким образом влияет противо-ЭДС нагрузки на параметры вентильного преобразователя?

5. В однофазной схеме рис.1 найти падение напряжения в коммутационный период, если известно, что , , , .

Ответ:

6. В однофазной мостовой схеме выпрямления найти падение напряжения и угол коммутации , если известно, что , , , , .

Ответ:

3.65 В, .

7. Найти напряжения внешней характеристики трехфазного мостового выпрямителя при холостом ходе и при нагрузке, если известно, что , , , , .

Ответ:

95 В, 90 В.