Jednofázové usměrňovače - schémata a princip činnosti

Usměrňovač je zařízení určené k přeměně vstupního střídavého napětí na stejnosměrné napětí. Hlavním modulem usměrňovače je sada žilových pil, která přímo převádí střídavé napětí na stejnosměrné.

Pokud je potřeba sladit parametry sítě s parametry zátěže, připojí se usměrňovací souprava k síti přes přizpůsobovací transformátor. Podle počtu fází napájecí sítě jsou usměrňovače jednofázové a tři fáze… Více podrobností zde — Klasifikace polovodičových usměrňovačů… V tomto článku se budeme zabývat provozem jednofázových usměrňovačů.

Jednofázový půlvlnný usměrňovač

Nejjednodušším obvodem usměrňovače je jednofázový půlvlnný usměrňovač (obr. 1).

Rýže. 1. Schéma jednofázového řízeného půlvlnného usměrňovače

Schémata činnosti usměrňovače R-load jsou na obrázku 2.

Rýže. 2. Schémata činnosti usměrňovače pro R-zátěž

Pro otevření tyristoru musí být splněny dvě podmínky:

1) potenciál anody musí být vyšší než potenciál katody;

2) na řídicí elektrodu musí být aplikován otevírací impuls.

U tohoto obvodu je současné splnění těchto podmínek možné pouze při kladných půlcyklech napájecího napětí. Pulzní fázový řídicí systém (SIFU) by měl tvořit otevírací impulzy pouze v kladných NSoluneriodách napájecího napětí.

Při žádosti o tyristor VS1 otevíracího impulsu v okamžiku času θ = α tyristor VS1 se otevře a napájecí napětí U je přivedeno na zátěž1 po zbytek kladného půlcyklu (pokles napětí vpřed na ventilu ΔUv nevýznamný ve srovnání s napětím U1 (ΔUv = 1 — 2 V)). Protože zátěž R — aktivní, pak proud v zátěži opakuje tvar napětí.

Na konci kladného půlcyklu se zatěžovací proud i a ventil VS1 sníží na nulu (θ = nπ) a napětí U1 změní své znaménko. Na tyristor VS1 je proto přivedeno zpětné napětí, při jehož působení se uzavře a obnoví své regulační vlastnosti.

Takové spínání ventilů pod vlivem napětí zdroje energie, které periodicky mění svou polaritu, se nazývá přirozené.

Z diagramů je patrné, že změna jednoho vodiče vede ke změně části kladného půlcyklu, během kterého je napájecí napětí přiváděno na zátěž, a tím dochází k regulaci příkonu. Vstřik α charakterizuje zpoždění v okamžiku otevření tyristoru oproti okamžiku jeho přirozeného otevření a nazývá se úhel otevření (regulace) ventilu.

Emf a proud usměrňovače jsou po sobě jdoucí segmenty pozitivních polovičních sinusových vln, konstantní ve směru, ale ne konstantní ve velikosti, tzn. usměrněné EMF a proud mají periodicky pulsující charakter. A jakákoliv periodická funkce může být rozšířena ve Fourierově řadě:

e (t) = E + en(T),

kde E je konstantní složka korigovaného EMF, en(T) — proměnná složka rovna součtu všech harmonických složek.

Můžeme tedy předpokládat, že na zatížení je aplikováno konstantní EMF zkreslené proměnnou složkou en (t). Stálá složka EMP E je hlavní charakteristikou rektifikovaného EMF.

Proces regulace napětí zátěže jeho změnou se nazývá fázové řízení... Toto schéma má několik nevýhod:

1) vysoký obsah vyšších harmonických v korigovaném EMF;

2) velké vlnění EMF a proudu;

3) přerušovaný provoz okruhu;

4) použití nízkého napětí obvodu (kche =0,45).

Přerušovací proudový režim činnosti usměrňovače je takový režim, při kterém dochází k přerušení proudu v zátěžovém obvodu usměrňovače, tzn. se stává nulou.

Jednofázový jednopůlvlnný usměrňovač při provozu na aktivní indukční zátěži

Časové diagramy provozu půlvlnného usměrňovače pro RL-zátěž jsou na Obr. 3.

Rýže. 3. Schémata činnosti půlvlnného usměrňovače pro RL zátěž

Abychom mohli analyzovat procesy probíhající ve schématu, alokujme tři časové intervaly.

1. α <θ <δ… Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je znázorněn na Obr. 4.

Re. 4. Ekvivalentní obvod pro α <θ <δ

Podle ekvivalentního schématu:

Během tohoto časového intervalu je eL (samoindukční EMF) předpětí zpět na síťové napětí U1 a zabraňuje prudkému nárůstu proudu. Energie ze sítě se přemění na teplo při R a akumuluje se v elektromagnetickém poli s indukčností L.

2. α <θ < π. Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je na Obr. 5.

Obr. 5… Ekvivalentní obvod pro α <θ < π

V tomto intervalu EMF samoindukce eL změnilo své znaménko (v tomto okamžiku θ = δ).

Při θ δ dL mění své znaménko a má tendenci udržovat proud v obvodu. Je řízena podle U1. V tomto intervalu se energie ze sítě a akumulovaná v oblasti indukčnosti L přemění na teplo v R.

3. π θ α + λ. Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je na Obr. 6.

Rýže. 6 Ekvivalentní obvod

V určitém okamžiku θ = π síťové napětí U1 změní svou polaritu, ale tyristor VS1 zůstane ve vodivém stavu, protože egL překročí U1 a propustné napětí se na tyristoru udržuje. Proud při působení dL bude protékat zátěží ve stejném směru, zatímco energie uložená v poli indukčnosti L nebude zcela spotřebována.

V tomto intervalu se část energie akumulované v indukčním poli přemění v odporu R na teplo a část se předá do sítě. Proces přenosu energie ze stejnosměrného obvodu do střídavého obvodu se nazývá inverze… To dokazují různé znaky e a i.

Délka toku proudu v úseku se zápornou polaritou U1 závisí na poměru mezi veličinami L a R (XL=ωL). Čím větší je poměr — ωL/R, tím delší je doba toku proudu λ.

Pokud je v zátěžovém obvodu L indukčnost, tvar proudu se vyhladí a proud teče i v oblastech se zápornou polaritou U1... V tomto případě se tyristor VS1 při přechodu napětí U1 přes 0 neuzavírá a v tuto chvíli proud klesne na nulu. Jestliže ωL/ R→oo, pak v α = 0 λ → 2π.

Princip činnosti jednofázového můstkového usměrňovače v trvalém režimu při provozu aktivních a aktivních indukčních zátěží

Výkonový obvod jednofázového můstkového usměrňovače je na Obr. 7 a časové diagramy jeho práce na aktivní zátěži jsou na obr. osm.

Ventilový můstek (obr. 7) obsahuje dvě skupiny ventilů — katodu (liché ventily) a anodu (sudé ventily). V můstkovém obvodu je proud přenášen současně dvěma ventily — jedním z katodové skupiny a jedním z anodové skupiny.

Jak je patrné z Obr. 7 jsou hradla zapnuta tak, že během kladných půlcyklů napětí U2 protéká proud hradly VS1 a VS4 a během záporných půlcyklů hradly VS2 a VS3. Vycházíme z předpokladu, že ventily a transformátor jsou ideální, tzn. Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Rýže. 7. Schéma jednofázového můstkového usměrňovače

Rýže. 8. Schémata činnosti jednofázového můstkového usměrňovače na odporové zátěži

V tomto obvodu vede v každém okamžiku dvojice tyristorů VS1 a VS4 proud v kladných půlcyklech U2 a VS2 a VS3 v záporných. Když jsou všechny tyristory sepnuté, je na každý z nich přivedeno poloviční napájecí napětí.

Při θ =α otevřete VS1 a VS4 a zátěž začne proudit přes otevřené VS1 a VS4. Předchozí VS2 a VS3 pracují při plném síťovém napětí v opačném směru.Když v = l-, U2 změní znaménko a protože zátěž je aktivní, proud se vynuluje a na VS1 a VS4 se přivede zpětné napětí a ty se uzavřou.

Při θ =π +α se tyristory VS2 a VS3 otevřou a zatěžovací proud dále protéká stejným směrem. Proud v tomto obvodu při L = 0 má přerušovaný charakter a pouze při α= 0 bude proud okrajově spojitý.

Limitní spojitý režim je režim, ve kterém proud v některých okamžicích klesá na nulu, ale není přerušován.

Upr.max = Uobr.max = √2U2 (s transformátorem),

Upr.max = Uobr.max = √2U1(bez transformátoru).

Obvodový provoz pro aktivní indukční zátěž

Zátěž R-L je typická pro vinutí elektrických přístrojů a budicí vinutí elektrických strojů nebo když je na výstupu usměrňovače instalován indukční filtr. Vliv indukčnosti ovlivňuje tvar křivky zatěžovacího proudu i průměrné a efektivní hodnoty proudu ventily a transformátorem. Čím vyšší je indukčnost zátěžového obvodu, tím nižší je složka střídavého proudu.

Pro zjednodušení výpočtů se předpokládá, že zatěžovací proud je dokonale vyhlazený (L→oo). To je legální, když ωNSL> 5R, kde ωNS — kruhová frekvence zvlnění výstupu usměrňovače. Pokud je tato podmínka splněna, chyba výpočtu je nevýznamná a lze ji ignorovat.

Časová schémata činnosti jednofázového můstkového usměrňovače pro aktivní indukční zátěž jsou na Obr. devět.

Rýže. 9. Schémata činnosti jednofázového můstkového usměrňovače při provozu na RL zátěž

Abychom prozkoumali procesy probíhající ve schématu, oddělíme tři oblasti práce.

1. a. Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je na Obr.deset.

Rýže. 10. Ekvivalentní obvod usměrňovače

V uvažovaném intervalu se energie ze sítě přemění na teplo v odporu R a část se akumuluje v elektromagnetickém poli indukčnosti.

2. α <θ < π. Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je na Obr. jedenáct.

Rýže. 11. Ekvivalentní obvod usměrňovače pro α <θ < π

V okamžiku θ = δ je EMF samoindukce eL = 0, protože proud dosáhne své maximální hodnoty.

V tomto intervalu se energie akumulovaná v indukčnosti a spotřebovaná sítí přeměňuje v odporu R na teplo.

3. π θ α + λ. Ekvivalentní obvod odpovídající tomuto intervalu je na Obr. 12.

Rýže. 12. Ekvivalentní obvod usměrňovače při π θ α + λ

V tomto intervalu se část energie akumulované v indukčním poli přemění na teplo v odporu R a část se vrátí do sítě.

Působení EMF samoindukce ve 3. sekci vede k tomu, že se v křivce korigovaného EMF objeví sekce se zápornou polaritou a různá znaménka e a i naznačují, že v tomto intervalu dochází k návratu elektrické energie do sítě.

Pokud v čase θ = π + α není energie uložená v indukčnosti L zcela spotřebována, pak bude proud i spojitý. Když jsou v určitém čase θ = π + α vyslány vypínací impulsy do tyristorů VS2 a VS3, na které je ze strany sítě přivedeno propustné napětí, tyto se otevřou a jejich prostřednictvím se přivede zpětné napětí na provozní VS1 a VS4 ze strany straně sítě, v důsledku čehož se uzavřou, se tento typ přepínání nazývá přirozený.