Випрямлячі - елементна база і схемотехніка пристроїв силової електроніки
Сторінка 2 з 6
За допомогою випрямлячів здійснюється перетворення енергії змінного струму в енергію постійного струму. У промислових установках застосовують різні схеми випрямлення змінного струму в постійний, кожна з яких має свої переваги і недоліки. При порівнянні різних схем випрямлення враховують такі їх технічні характеристики: число напівпровідникових приладів, коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги, габаритну потужність трансформатора.
Розглянемо типові схеми випрямлення змінного струму.
Однофазна мостова схема випрямлення (рис. А) містить чотири діода V1-V4, з'єднаних за схемою моста і підключених до мережі змінного струму через трансформатор Т або безпосередньо. Трансформатор дозволяє узгодити напруга мережі і випрямлена напруга навантаження. В одну діагональ моста (точки 1 і 3) включений джерело змінної напруги, а в іншу (точки 2 і 4) - навантаження Rн. Загальна точка 2 катодних висновків служить позитивним полюсом випрямляча, а точка 4 анодних висновків - негативним. В однофазної мостової схемою діоди працюють по черзі парами V1. V3 і V2, V4 (рис. 5.6, б). В позитивний напівперіод напруги і2ф струм проходить через діод V1 навантаження Rн до діода V3.
Мал. Однофазна мостова схема випрямлення (а). Графіки напруг і струму в трансформаторі (б), напруги і струму в навантаженні (в)
Так як в цей час діоди V2, V4 закриті, до них прикладається зворотна напруга, найбільше значення якого л / 2 і2ф. В негативний напівперіод струм проходить через діод V2, навантаження Rн до діода V4. При цьому зворотна напруга прикладається до діодів V1 і V3. Таким чином, струм в ланцюзі навантаження в кожен період проходить в одному напрямку, і його середнє значення залежить від випрямленої напруги і опору навантаження.
Випрямлена напруга Ud (рис. В) має постійну складову Ud ср і змінну складову Ud "(заштрихована область), яка пульсує з дворазовою частотою по відношенню до частоти мережі. Чим менше змінна складова, тим менше пульсації. При ідеальному перетворенні змінного струму в постійний змінна складова дорівнює нулю. Важливим показником роботи випрямляча служить відношення амплітуди змінної складової до випрямлення напруги, зване коефіцієнтом пульсації випрямленої напруги
Однофазні мостові схеми через великі пульсацій випрямленої напруги застосовують в основному в електроустановках малої потужності.
Мал. 2. Трифазна нульова схема випрямлення (а). Графіки напруг (б), струмів (в) і зворотної напруги на діоді (г)
Трифазна нульова схема випрямлення (рис. 2, а) складається з трьох діодів. Анодні висновки діодів зазвичай підключають до обмоток трансформатора, а катодні висновки - до спільної точки. Навантаження включають між нульовою точкою трансформатора і загальною точкою діодів. При активному навантаженні Rн струм через кожен діод протікає протягом 1/3 періоду змінного струму, коли напруга в одній фазі трансформатора більше, ніж в інших, а випрямлений струм проходить по навантаженню безперервно (рис. 2). У момент перетину позитивних значень напруг кожної фази трансформатора в точках а, 6 і. (Рис. 2, б), які називаються точками природної комутації діодів, струм припиняє проходити в одному діоді і починає протікати через інший діод. Трифазна нульова схема дозволяє отримувати випрямлена напруга більш згладженої форми зі змінною складової Ud, меншої амплітуди, ніж однофазная бруківка. Найбільше зворотна напруга max, яке надходить на закритий діод, так само амплітудному значенням лінійної напруги (рис. 2, в).
Недолік трифазної нульової схеми - проходження через вторинні обмотки струму (iа2, iЬ2 і IС2) тільки в одному напрямку, що створює магнітний потік підмагнічування, що викликає додатковий нагрів трансформатора. Тому схему широко застосовують тільки в випрямних установках з трансформаторами, струм вторинної обмотки яких зазвичай не перевищує 100 А.
Трифазна мостова схема випрямлення (рис. 5.8, а) складається з шести діодів, які утворюють дві групи: із загальним катодним висновком (V1, V3 і V5) і загальним анодним висновком (V2, V4 і V6). Діоди підключаються безпосередньо до мережі або через трансформатор, первинні і вторинні обмотки якого з'єднані в зірку або трикутник.
У непарній групі (V1, V3 і V5) протягом кожної третини періоду працює той діод, у якого вище потенціал виведення (рис. 3, б), наприклад, інтервал а -6 для діода V1. У парній групі в цей інтервал часу працює той діод, у якого катодний висновок має найбільш негативний потенціал (інтервал а - "для діода V6 і" - 6 для діода V2) по відношенню до загальної точки анодних висновків. Таким чином, в інтервалі а- "(див. Рис. 3, 6) струм гн проходить від фази а трансформатора через діод V1, навантаження Rн, діод V6, до фази b трансформатора (див. Рис. 3, а). В інтервалі "-6 (див. 3, 6) струм проходить через діод V1, навантаження Rн і діод V2 (відзначено пунктирною лінією).
Мал. 3. Трифазна мостова схема випрямлення (а). Графіки напряженійі струмів (б)
В трифазного бруківці схемою в будь-який момент часу при активному навантаженні струм проходить через два діода - один з непарної, а інший - з парної групи. Діоди непарної групи коммутируются в момент перетину позитивних ділянок синусоїд (точки а, 6, в), а парної групи - в момент перетину негативних ділянок (точки г%, А). В результаті при наявності двох груп отримують шестифазний випрямлення (крива Ud0, див. Рис. 3, 6).
Перевагами трифазних мостових схем, широко застосовуваних у випрямних пристроях, є: невеликий коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги; мале зворотна напруга; мала габаритна потужність трансформаторів; відсутність вимушеного подмагничивания, так як струм у вторинній обмотці трансформатора змінює свій напрямок.
Основні технічні характеристики різних схем випрямлення наведені в табл. 2.
Основні технічні характеристики схем випрямлення
Число фаз випрямлення, m
Прімечаніе.I2 - струм вторинної обмотки трансформатора.
Керовані випрямлячі дозволяють перетворити змінний струм в постійний і плавно змінювати випрямлена напруга від нуля до номінального значення.
В даний час в електроприводах постійного струму і в системах збудження синхронних двигунів основний елементної базою при побудові керованих випрямлячів є тиристори.
Тиристори - в повному обсязі керовані напівпровідникові прилади, що володіють двома стійкими станами рівноваги: відкритим (проводять струм) і закритим (що не проводить струму). Тиристор (рис. 4, а), що має три електроди (анодний висновок А, катодний До і керуючий електрод У), починає проводити струм в тому випадку, якщо до анодному висновку (по відношенню до катодного висновку) прикладений позитивний потенціал і одночасно до керуючого електроду подається позитивний сигнал, що управляє. При додатку до анодному висновку позитивного потенціалу опір тиристора буде залежати від керуючого струму. При відсутності керуючого сигналу (1У = 0) опір тиристора велике. При появі керуючого струму (1У = 1ун) тиристор перейде у відкритий стан і провідність його буде високою.
Мал. 4. Однополуперіодна керована схема випрямлення (а). Графіки напруги на навантаженні (б), керуючих імпульсів (в), струму навантаження (г), напруги анод-катодUAK (%)
Тиристор відрізняється від транзистора тим, що струм управління тільки відкриває, але не закриває його. Закривається тиристор при додатку до анодному висновку негативного напруги.
Для управління тиристором використовують систему імпульсно-фазного управління (СІФУ), яка формує керуючий імпульс потрібної форми і потужності, а також здійснює зсув по фазі імпульсу щодо напруги мережі.
Розглянемо роботу тиристора, підключеного до однофазної мережі на активне навантаження (рис. 4, а). Припустимо, що керуючий імпульс в інтервалі з t0 - зі t1 відсутня (1У = 0). В цьому випадку тиристор має більший опір в прямому напрямку і струм через навантаження Rн практично не проходить (рис. 4, 6).
Після подачі керуючого імпульсу при номінальному струмі управління (1У = 1У н) тиристор відкривається (рис. 4), тобто його опір в прямому напрямку знижується. Під дією напруги мережі Ц. через навантаження Лн проходить струм гн (рис. 4, г), який залежить від напруги мережі і опору резистора (інтервал rot1 - rot2). При негативному напрузі на анодном виведення (інтервал rot2 - rot3) тиристор володіє високим опором і струм через нього не проходить. В цьому випадку до тиристору прикладається зворотна напруга (рис. 4,%). На рис. 4, 6,% прийняті позначення; U, - напруга на навантаженні; UAK - напруга анод-катод тиристора; UyK - керуюча напруга між керуючим електродом і катодом.
Для зміни середнього значення випрямленої напруги Ud необхідно зрушити по фазі керуючий імпульс. Так, для зменшення випрямленої напруги необхідно керуючий імпульс подавати з відставанням на кут ак = rot. по відношенню до точки природної комутації тиристора (див. рис. 4.). Зрушення по фазі між точкою природної комутації тиристора і моментом подачі керуючого імпульсу називається кутом регулювання а.
В електроприводах знаходять застосування також здвоєні тиристори, звані сіммісторамі, які мають властивості зустрічно-паралельно з'єднаних тиристорів, але мають лише один керуючий електрод.
В трифазного бруківці схемою, в якій замість діодів включені тиристори (рис. 5, а), керуючі імпульси
- U ^, що надходять від СІФУ, повинні відповідним чином сфазіровани з напругою трансформатора (мережі), тобто подаватися в потрібні моменти часу. Зрушення імпульсів відносної базової точки відбувається в бік відставання. За базові необхідно брати точки а, 6. і ",%, А (рис. 5, 6) природного відмикання діодів. Якщо керуючі імпульси подавати на тиристори в базових точках, то отримаємо найбільшу випрямлена напруга Ud0. При подачі керуючих імпульсів з відставанням по відношенню до точки природного відмикання на кут а (див. Рис. 5, 6) тиристори відкриваються пізніше, а середнє випрямлена напруга Ud ср буде менше, ніж найбільша випрямлена Ud0. Середнє випрямлена напруга ТП визначається за формулою
Мал. 5. Трифазна мостова схема керованого випрямляча (а). Графіки напруг (б)
Оскільки трифазна мостова схема має дві групи тиристорів, а струм в будь-який момент протікає мінімум через два тиристора, СІФУ виробляє здвоєні імпульси (див. Рис. 5, 6), зрушені відносно один одного на 60 електричних градусів. В е тому випадку має місце одночасна подача імпульсів в тиристори двох різних груп (V1 і V6, V1 і V2, V3 і V2 і т.д.). Наявність двох груп тиристорів забезпечує шестифазний випрямлення (крива Ud рис. 5, 6).