Однофазна схема випрямлення з виводом нульової точки трансформатора

Побудова кривих струмів та напруг перетворювача в режимі випрямлення та інвертування

Однофазна схема випрямлення з виводом нульової точки трансформатора

Схема випрямляча наведена на рис.2.

Рис. 2. Схема однофазного керованого випрямляча з виводом нульової точки трансформатора

Розглянемо процеси за умов роботи випрямляча на чисто активне навантаження (х_d=0) та ідеального трансформатора схеми (х_а=0). В наведеній схемі процеси відбуваються під впливом вторинних напруг u_2-1 та u_2-2, які зсунуті одна відносно іншої на 180°. Аналітично ці напруги можна записати так: Режиму активного навантаження відповідають часові діаграми, які наведені на рис.3.

Для регулювання середнього значення напруги на навантаженні R_d широко застосовується фазовий метод, який базується на керуванні в часі моментом відкриття тиристорів схеми. Відлік кута керування a ведеться від моментів природного відкривання вентилів (якщо допустити заміну тиристорів схеми на діоди), тобто від моментів q=0, p, 2p, 3p... На інтервалі 0-q₁ тиристори VS1,VS2 закриті, напруга на виході випрямляча u_d=0; на тиристор VS1 діє напруга u_aк= u_2-1> 0 (виконується перша умова відкривання тиристора), а на тиристор VS2 діє напруга u_aк= u_2-2< 0. В момент часу q₁, який визначається кутом a, надходить імпульс керування тиристора VS1 (виконується друга умова відкривання тиристора VS1). У результаті тиристор VS1 відкривається, до навантаження прикладається напруга u_2-1. На інтервалі q₁-p на навантаженні формується напруга u_d, яка є частиною кривої u_2-1. Через опір навантаження і тиристор VS1 проходить струм i_d=i_a1=u_d/R_d. Під час переходу напруги живлення u_2-1 через нуль (q=p) струм тиристора VS1 стає рівним нулю і тиристор закривається.

Рис.3.Часові діаграми струмів та напруг однофазного керованого випрямляча за умов його роботи на чисто активне навантаження та ідеального трансформатора схеми

На інтервалі p-q₂ обидва тиристори схеми закриті, напруга на навантаженні u_d=0. В момент q₂=p+a подається імпульс керування тиристора VS2 (виконується друга умова відкривання тиристора). Звертаємо увагу, що в цей момент на тиристор VS2 діє напруга u_aк= u_2-2> 0 (виконується перша умова відкривання тиристора VS2). Тиристор VS2 відкривається і до навантаження прикладається напруга u_2-2= u_d. Через навантаження і тиристор VS2 проходить струм i_d=i_a2=u_d/R_d. В момент q=2p струм i_a2=0 і тиристор VS2 закривається. Далі процеси в схемі повторюються.

Отже, напруги u_2-1 та u_2-2 під час високої провідності тиристорів VS1 та VS2 формують напругу на навантаженні, тобто випрямлену напругу u _. Її середнє значення визначається з виразу

(1)

В результаті інтегрування отримаємо

, (2)

де: U_d0=(2 U₂)/p - середнє значення випрямленої напруги у випадку некерованої схеми випрямлення.

U₂ – діюче (ефективне) значення вторинної напруги трансформатора.

Залежність U_d=f(a) називається регулювальною характеристикою і наведена на рис.5.

Із графічних побудов та виразу (2) очевидно, що кут a у випадку чисто активного навантаження можна змінювати від 0 до 180°, відповідно середнє значення випрямленої напруги буде змінюватися від U_d0 до 0.

Зворотна напруга, наприклад, тиристора VS1 (нагадаємо, що це різниця потенціалів між анодом і катодом, коли тиристор знаходиться в стані низької провідності) визначається напругою u_2-1 на ділянках закритого стану обох тиристорів та різницею напруг u_2-1 - u_2-2 на ділянках провідного стану тиристора VS2, тому тут ця напруга дорівнює подвійному значенню напруги живлення 2u₂. Звідси випливає методика побудови зворотної напруги тиристора у випадку чисто активного навантаження. Для цього слід побудувати дві напруги: одну u_2-1 і другу у фазі з u_2-1, але з подвійним значенням амплітуди, та виділити фрагменти напруги u_2-1 на ділянках закритого стану тиристора VS1, VS2 і фрагменти напруги з подвійною амплітудою на ділянці відкритого стану тиристора VS2. Ця зворотна напруга в розглянутому випадку має вельми цікаву форму (див. рис.3 д). Нас же цікавить максимальне значення зворотної напруги тиристора. Отже, у однофазній схемі випрямлення з виводом нульової точки трансформатора амплітуда зворотної напруги U_в=2 U₂ і за таким значенням слід вибирати тиристори схеми.

Струми вторинних обмоток трансформатора однонаправлені, оскільки визначаються струмами тиристорів VS1 та VS2 (див. рис. 3 г). Струм первинної обмотки трансформатора i₁ зв’язаний з вторинними струмами обмоток трансформатора коефіцієнтом трансформації n=U₂/U₁ і має додатній та від’ємний півперіоди, а також паузи на інтервалах 0 - a, p-(p+a)...і т. д.

2.2. Робота випрямляча на активно-індуктивне навантаження

Режиму активно-індуктивного навантаження відповідають часові діаграми, які наведені на рис.4. Зауважимо, що розгляд процесів ведемо за умови ідеально спрямленого (постійного) струму I_d, тобто коли індуктивність в колі випрямленого струму безмежно велика L_d " . Вказана умова характерна для випрямлячів середньої та великої потужності. Наявність індуктивності L_d " змінює характер залежностей i_d=f(q) та u_d=f(q), які вище розглянуті за умови чисто активного навантаження. Режим роботи випрямляча характеризується наявністю в кривій випрямленої напруги u_d ділянок від’ємної полярності на інтервалах 0 - a, p-(p+a)..., а також ідеально спрямленою кривою струму навантаження i_d (рис. 4 а, б). Вказане обумовлюється впливом великої індуктивності, яка підтримує незмінним струм попереднього тиристора аж до вступу в роботу наступного. За таких умов струми тиристорів i_a1, i_a2 мають вигляд імпульсів прямокутної форми (рис.4б). Очевидно, що на підставі першого закону Кірхгофа для вузла 0 i_a1 + i_{a 2} = i_d, або І_а1 + І_а2 = I_d;за умови І_а1 = І_а2 = І_а середнє значення струму тиристора І_а зв’язане зі струмом навантаження I_d відношенням І_а= I_d /2. Зауважимо, що отримана залежність справедлива і для попереднього випадку роботи випрямляча.

Ділянки від’ємної полярності випрямленої напруги u_d зменшують її середнє значення U_d, яке, визначимо із виразу

. (3)

В результаті інтегрування отримаємо

U_d= U_d0соsa. (4)

Рис. 4. Часові діаграми струмів та напруг однофазного керованого випрямляча з виводом нульової точки за умов його роботи на активно - індуктивне навантаження та ідеального трансформатора схеми

Із наведених на рис.4 часових діаграм та отриманої формули очевидно, що кут a за означених умов можна змінювати від 0 лише до 90°. В графічному відображенні залежності (2), (4) наведені на рис.5 і, як зазначалося, носять назву регулювальних характеристик.

Рис.5. Регулювальні характеристики однофазних керованих випрямлячів

Регулювальні характеристики для проміжних значень > L_d >0 розташовуються між наведеними для граничних значень L_d.

Зворотна напруга тиристора u_в1 (в наведеному прикладі тиристора VS1) формується тільки напругою u_2-1 - u_2-2 =2 u₂. Її максимальне значення дорівнює U_в=2 U₂, яке й слугує як розрахункове для вибору тиристорів.

Струм у первинній обмотці трансформатора є змінним, має прямокутну форму з амплітудою I_d / n.

2.3. Комутація струмів та зовнішні характеристики однофазних випрямлячів середньої та великої потужності

Розглянуті попередні випадки побудови кривих струмів та напруг випрямляча не враховували процесу комутації вентилів. Реальний трансформатор та мережа живлення мають певну індуктивність. Наявність індуктивності в електричному колі протидіє миттєвій зміні струму як вентиля, який вступає в роботу, так і вентиля, який виходить з роботи. Це призводить до того, що обидва тиристори схеми будуть одночасно у провідному стані протягом певного часу . Виникне процес комутації, який починається з моменту подачі імпульсу керування на черговий за порядком вступу в роботу тиристор і закінчується коли його струм досягне значення I_d, а струм тиристора, який виходить з роботи, досягне нульового значення (рис.6б).

Рис.6. Часові діаграми струмів та напруг однофазного керованого випрямляча з виводом нульової точки з врахуванням процесів комутації

Наявність у провідному стані обох тиристорів схеми на етапі комутації призведе до того, що потенціал додатного полюса випрямляча буде визначатися півсумою вторинних напруг u_2-1 та u_2-2 . Оскільки ці напруги рівні і зсунуті по фазі між собою на 180°, то їхня півсума буде рівна нулю. Відповідно випрямлена напруга u_d = на ділянці комутації буде рівна нулю. Після завершення процесу комутації потенціал додатного полюса буде формувати напруга u_2-2 аж до початку наступної комутації. Середнє значення випрямленої напруги U_d буде меншим від такої ж напруги в режимі без комутації на величину комутаційного спаду напруги , область миттєвих значень яких заштрихована на рис.6 а. Отже, для визначення середнього значення випрямленої напруги з врахуванням комутаційних процесів слід у формулі (4) врахувати комутаційний спад напруги

U_d = U_d0соsa - . (5)

Величину знаходимо шляхом інтегрування виразу її миттєвого значення на інтервалі комутації a < q < a+g,

= U₂ sin . (6)

В результаті інтегрування отримаємо

= . (7)

В формулу (7) входить різниця косинусів, яку слід визначити додатково. Для цього розглянемо комутаційний процес переходу струму, наприклад, з тиристора VS2 на тиристор VS1 детальніше. З моменту відкриття тиристора VS1 починається ділянка одночасної провідності обох тиристорів. Поступове зменшення до нуля струму і_а2 тиристора VS2 і зростання до величини I_d струму і_а1 тиристора VS1 здійснюється під впливом струму комутації i_к, який проходить у короткозамкнутому контурі під впливом обох вторинних напруг 2 u₂ (див. рис.2).

Струм в короткозамкнутому контурі обмежується сумарним опором обох обмоток трансформатора 2x_а та визначається за [1], як сума вимушеної і вільної складових

i_к = . (8)

На інтервалі комутації крива i_к = і_а1 визначає закон зміни струму тиристора VS1, а різниця I_d - i_к = і_а2 - закон зміни струму тиристора VS2. Ділянка комутації завершується, коли струм і_а1 досягне значення I_d , отже за умови i_к = I_d в момент отримаємо

I_d = .

Звідси визначаємо

= . (9)

Відповідно вираз (5) з врахуванням (7) та (9) набуде вигляду

U_d =U_d0соsa - . (10)

Отриманий вираз описує сімейство зовнішніх характеристик керованого однофазного випрямляча з виводом нульової точки трансформатора, кожна з яких відповідає певному значенню кута a. У графічному зображенні (рис.7) це будуть прямі лінії, нахил яких визначається величиною комутаційного спаду напруги .

Рис.7. Зовнішні характеристики однофазного керованого випрямляча з виводом нульової точки трансформатора

Дата добавления: 2015-11-30