Схемы выпрямления

Рассмотрим несколько силовых диодных схем, используемых в свароч­ных выпрямителях: однофазную мостовую, шестифазную с выведенным ну­лем, шестифазную с уравнительным дросселем, кольцевую, а также трехфазную мостовую при их работе на активную линейную нагрузку (резистор). Общее правило анализа схем следующее: в любой момент времени открывается тот вентиль, к аноду которого приложен максимальный положительный потенциал или к катоду которого приложен максимальный отрицательный потенциал.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис.3.6) работает следующим образом. В первом полупериоде (при положительной полярности левой клеммы вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили V₁ и V₂ (путь тока показан пунктирной линией), во втором - вентили V₃ и V₄. В результате ток i_д в нагрузке остается постоянным по направлению (см. рис.3.6, г). Форма кривой выпрямленного напряжения U_в (см. рис. 3.6, в) - пульсирующая от 0 до U_m, т.е. малопригодная для сварки.

Рис.3.6. Однофазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичное напряжение на трансформаторе; в – выпрямленное напряжение; г – выпрямленный ток

Шестифазная схема с выведенным нулем (рис.3.7) ранее использо­валась в многопостовых выпрямителях. Как видно, трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (А1, B1, C1 и А2, В2, C2), каждая из которых соединена в звезду. Нулевые точки обеих звезд соединены и вы­ведены к нагрузке. В цепи каждой обмотки установлен вентиль. Поскольку катоды всех вентилей соединены и, следовательно, имеют одинаковый потенциал, то в любой момент работает только один вентиль с максимальным положительным потенциалом на аноде. Как следует из рис.3.7, б, с момента Θ₁ работает вентиль V₁, соединенный с обмоткой A1. На рис.3.7, а путь тока в этом интервале времени показан пунктирной линией. Остальные вентили заперты, так как к их катодам через V₁ подан максимальный положительный потенциал. С момента Θ₂ вен­тиль V₁ отключается, а в работу вступает вентиль V₂, соединен­ный с обмоткой С2, и далее - другие вентили по порядку номеров. Выпрямленное напряжение u_в, показанное утолщенной линией на рис.3.7, б, меняется по огибающей фазных напряжений отдельных обмо­ток. Его среднее значение U_в можно вычислить на участке от Θ₁=π/3 до Θ₂=2π/3, где U_в=U_α1

(3.1)

Рис.3.7. Шестифазная нулевая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные и выпрямленное напряжение; в – выпрямленный ток

Выпрямленное напряжение u_в (рис. 3.7, б) колеблется вблизи средней величины U_в менее значительно, чем в однофазной мостовой схеме, поэтому и выпрямленный ток меняется незначительно и дуга при сварке более устойчива. Частота колебаний выпрямленного напряжения в шесть раз больше исходной, т.е. равна 300 Гц.

Определим величину максимального обратного напряжения на неработающем вентиле. Например, в интервале Θ₁… Θ₂ сопротивление проводящего вентиля V₁ близко к нулю, поэтому к катоду вентиля V₄ приложен максимальный положительный потенциал обмотки A1. В то же время к аноду этого вентиля V₄ приложен максимальный от­рицательный потенциал обмотки А2.. Следовательно, к неработающему вентилю V₄ приложено в обратном направлении напряжение двух обмоток A1 и А2, а его амплитудное значение:

(3.2)

С учетом соотношения (3.I)

(3.3)

Из рис. 3.7,в следует, что каждый вентиль работает 1/6 часть пе­риода, поэтому средний ток вентиля

(3.4)

Небольшая токовая загрузка вентилей дает значительные выгоды.. Недостатком схемы является то, что расчетная мощность трансформатора в шестифазной схеме S_т = 1,55I_дU_в, т.е. почти в полтора раза выше потребляемой мощности. Для устранения вынужденного намагничивания железа трансформатора его первичные обмотки можно сое­динять только треугольником.

Шестифазная схема с уравнительным реактором-дросселем L (рис.3.8) обеспечивает лучшее использование вентилей. Здесь в любой момент па­раллельно работают два вентиля и две обмотки - по одной из каждой трехфазной группы (A1, B1, С1 и А2, В2, С2). Например, с момента Θ₁ в работу вступает вентиль V₁, на аноде которого появился максимальный в первой группе положительный потенциал обмотки А1 (показано пунктирной линией на рис.3.8, а). Но в этот момент продолжает работать и вентиль V₆, на аноде которого остается мак­симальный во второй группе потенциал обмотки B2 (показано тонкой линией). Выпрямленное напряжение равно полу­сумме напряжений работающих фаз. В интервале Θ₁…Θ₂

_, или

_, или

_.

Из уравнения видно, что напряжение дросселя L (показанное на рис.3.8, б штриховкой) добавляется к напряжению фазы А1 и вычитается из напряжения фазы В2. Благодаря этому в цепи вен­тилей V1 и V6 действует одинако­вое напряжение, и следовательно, работа вентиля V6 не препятствует отпиранию V1.

а)

Рис.3.8. Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные и выпрямленное напряжение; в – выпрямленный ток

Таким образом, назначение дросселя заключается в выравнивании напряжения коммутируемых фаз из разных групп обмоток, что приводит к вовлечению в одновременную параллельную работу двух вентилей.

Ток по любому вентилю идет одну треть периода (см. рис.3.8, в), но поскольку по каждому вентилю идет лишь половина выпрямленного тока, то среднее значение тока вентиля так же, как в шестифазной нулевой схеме,I_v=0,17I_д. В отличие от шестифазной нулевой схемы (в сравнении с рис.3.7, в) ток вентиля более равномерно распределен по периоду и, следовательно, его действующее значение меньше, что обеспечивает лучшее ис­пользование вентиля.

Выпрямленное напряжение u_в меняется по огибающей полусумм напряжений коммутирующих фаз (см. рис.3. 8, б), поэтому среднее значение выпрямленного напряжения U_в = 1,17 U₂ несколько ниже, чем в шестифазной нулевой схеме. Максимальные обратные напряжения у них совпадают U_обр ⁼ 2,1U_в. Расчетная мощность трансформатора S_т=1,26U_в и дросселя S_L =0,071I_д U_в, т.е. ниже, чем в шестифазной нулевой схеме.

Из всех рассматриваемых схем шестифазная с уравнительным реактором требует наименее мощных вентилей, она нашла применение в кон­струкции выпрямителей на управляемых вентилях.

Кольцевая схема (рис.3.9) считается также разновидностью шестифазной. Трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (Al, B1, C1 и A2, B2, С2), каждая из которых соединена в звезду. С нулевых точек каждой звезды напряжение подается на нагрузку. Блок вентилей как бы образует кольцо, что и объясняет название схемы. В любой момент работают две обмотки и один вентиль. На рис.3.9 показано, например, что ток идет по вентилю V1 через обмотку А1 с наибольшим положительным потенциалом и через обмотку В2 - с наибольшим отрицательным потенциалом. Затем ток пойдет по вентилю V2 через обмотки A1 и С2 и т.д. Следовательно, выпрямленное напряжение меняется по огибающей линейных напряжений, его среднее значение U_в = 2,34U₂. По любому вентилю ток идет 1/6 часть периода, его среднее значение I_u=0,17I_д. Обратное напряжение на вен­тиле U_обр = 2,1U_в. Трансформатор здесь используется эффектней, чем в любой из шестифазных схем, его расчетная мощность S_т=1,26I_дU_в. Кольцевая схема, дающая наибольшую экономию на стоимости трансформатора при относительно дешевом выпрямленном блоке, широко используется в конструкции мощных многопостовых выпрямителей.

Рис. 3.9. Кольцевая схема выпрямления

Трехфазная мостовая схема (рис.3.10) получила наибольшее распространение. В ней вентили V1, V3 и V5, у которых соединены катоды, образуют катодную, а вентили V2, V4 и V6 – анодную группы. Так как катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, то здесь в любой момент будет работать вентиль с максимальным положительным потенциалом анода, в момент Θ₀ - это вентиль V6 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с мак­симальным отрицательным потенциалом катода, в момент Θ₀ - это вентиль V6 в фазе В. Путь тока в этот момент показан на рис.3.10, а пунктиром. Все остальные вентили заперты, на анодах потенциал ниже, чем на катодах. С момента Θ₁ в катодной группе вместо вентиля V5 начинает работать вентиль V1, а с момента Θ₂ в анодной группе вместо V6 - вентиль V2 и т.д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам (см. рис.3.10 г).

Рис.3.10. Трехфазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные напряжения; в – вторичные линейные и выпрямленные напряжения; г – выпрямленный ток

Потенциал общих катодов схемы изменяется по верхней огибающей кривых фазных напряжений (u_2c, u_2a…), а потенциал обоих ано­дов - по нижней огибающей (u_2в, u_2с…). Выпрямленное напряже­ние u_в в интервале Θ₀…Θ₁ представляет собой разность напряжений фаз С и В – u_в=u_2c-u_2в=u_cв (заштриховано на рис.3.10, 6 и в), а с момента Θ₁ - разность напряжений фаз А и В – u_в=u_2а-u_2в=u_ав. Следовательно, выпрямленное напряжение u_в меняется по огибающей линейных напряжений u_cв, u_ав (показано толстой линией). Среднее значение выпрямленного напряжения U_в можно вычислить на участке между –π/6 и +π/6 (см. рис.3.10, в).

(3.5)

Выпрямленное напряжение u_в колеблется вблизи средней величины U_в не­значительно, что способствует устойчивому горению дуги.

Определим величину максимального обратного напряжения U_обр на неработающем вентиле. Например, в момент Θ₀ потенциал катода вентиля V3 тот же, что и у открытого вентиля V5, следовательно, совпадает с фазным напряже­нием u_2с. В этот же момент на анод V3 подано отрицательное напряжение u_2в. Следовательно, к закрытому вен­тилю приложено вторичное напряжение u_св=u_2с-u_св, амплитудное значение

, (3.6)

, (3.7)

На рис.3.10, г видно, что каждый вентиль работает 1/3 периода, поэтому средний ток вентиля

(3.8)

выше, чем в шестифазных схемах, но ниже, чем в однофазной мостовой.

Расчетная мощность трансформатора в трехфазной мостовой схеме S_т=1,05I_дU_в. Как видно, она незначительно отличается от мощности потребите­ля S_н=I_дU_в. Это свидетельствует о хорошем использовании трансформатора, к тому же трансформатор имеет наиболее простую конструкцию среди всех рассмотренных многофазных схем выпрямления. Так как затраты на трансформатор всегда преобладают в общей стоимости выпрямителя, то, несмотря на небольшой проигрыш в стоимости выпрямительного блока, трехфазная мостовая схема нашла широкое применение в конструкции серийных выпрямителей на неуправляемых вентилях.

Дата добавления: 2015-07-20