Jednofázové usmerňovače - schémy a princíp činnosti

Usmerňovač je zariadenie určené na premenu vstupného striedavého napätia na jednosmerné napätie. Hlavným modulom usmerňovača je súprava žilových píl, ktorá priamo konvertuje striedavé na jednosmerné napätie.

Ak je potrebné zosúladiť parametre siete s parametrami záťaže, súprava usmerňovača sa pripojí k sieti cez zodpovedajúci transformátor. Podľa počtu fáz napájacej siete sú usmerňovače jednofázové a tri fázy… Viac podrobností nájdete tu — Klasifikácia polovodičových usmerňovačov… V tomto článku sa budeme zaoberať prevádzkou jednofázových usmerňovačov.

Jednofázový polvlnový usmerňovač

Najjednoduchším obvodom usmerňovača je jednofázový polvlnový usmerňovač (obr. 1).

Ryža. 1. Schéma jednofázového riadeného polvlnového usmerňovača

Schémy činnosti usmerňovača záťaže R sú znázornené na obrázku 2.

Ryža. 2. Schémy činnosti usmerňovača pre R-záťaž

Na otvorenie tyristora musia byť splnené dve podmienky:

1) potenciál anódy musí byť vyšší ako potenciál katódy;

2) na riadiacu elektródu sa musí použiť otvárací impulz.

Pre tento obvod je súčasné splnenie týchto podmienok možné len počas kladných polcyklov napájacieho napätia. Impulzný fázový riadiaci systém (SIFU) by mal tvoriť otváracie impulzy iba v kladných NSoluneriódach napájacieho napätia.

Pri žiadosti o tyristor VS1 otváracieho impulzu v čase θ = α tyristor VS1 sa otvorí a napájacie napätie U je privedené na záťaž1 počas zvyšku kladného polcyklu (pokles napätia vpred na ventile ΔUv nevýznamný v porovnaní s napätím U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Keďže záťaž R je aktívna, prúd v záťaži opakuje tvar napätia.

Na konci kladného polcyklu sa záťažový prúd i a ventil VS1 zníži na nulu (θ = nπ) a napätie U1 zmení svoje znamienko. Preto sa na tyristor VS1 aplikuje spätné napätie, pri pôsobení ktorého sa zatvára a obnovuje svoje riadiace vlastnosti.

Takéto spínanie ventilov pod vplyvom napätia zdroja energie, ktorý periodicky mení svoju polaritu, sa nazýva prirodzené.

Z diagramov je zrejmé, že zmena jedného vodiča vedie k zmene časti kladného polcyklu, počas ktorého je napájacie napätie aplikované na záťaž, a tým dochádza k regulácii spotreby energie. Vstrek α charakterizuje oneskorenie v okamihu otvorenia tyristora v porovnaní s momentom jeho prirodzeného otvorenia a nazýva sa uhol otvorenia (riadenia) ventilu.

Emf a prúd usmerňovača sú po sebe idúce segmenty kladných polosínusových vĺn, konštantných v smere, ale nie konštantnej veľkosti, t.j. usmernený EMF a prúd majú periodicky pulzujúci charakter. A každá periodická funkcia môže byť rozšírená vo Fourierovej sérii:

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

kde E je konštantná zložka korigovaného EMF, en(T) — variabilná zložka rovná súčtu všetkých harmonických zložiek.

Môžeme teda predpokladať, že na zaťaženie pôsobí konštantné EMF skreslené premennou zložkou en (t). Trvalá zložka EMP E je hlavnou charakteristikou rektifikovaného EMP.

Proces regulácie záťažového napätia jeho zmenou sa nazýva fázové riadenie... Táto schéma má niekoľko nevýhod:

1) vysoký obsah vyšších harmonických v korigovanom EMF;

2) veľké vlnenie EMF a prúdu;

3) prerušovaná prevádzka okruhu;

4) použitie nízkeho napätia obvodu (kche =0,45).

Prerušovací prúdový režim činnosti usmerňovača je taký režim, pri ktorom je prúd v zaťažovacom obvode usmerňovača prerušený, t.j. sa stáva nulou.

Jednofázový jednopolvlnový usmerňovač pri prevádzke na aktívnej indukčnej záťaži

Časové diagramy prevádzky polvlnového usmerňovača pre záťaž RL sú znázornené na obr. 3.

Ryža. 3. Schémy činnosti polvlnového usmerňovača pre RL-záťaž

Aby sme analyzovali procesy prebiehajúce v schéme, prideľme tri časové intervaly.

1. α <θ <δ… Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr. 4.

Re. 4. Ekvivalentný obvod pre α <θ <δ

Podľa ekvivalentnej schémy:

Počas tohto časového intervalu je eL (samoindukčný EMF) predpätý späť na sieťové napätie U1 a zabraňuje prudkému nárastu prúdu. Energia zo siete sa premieňa na teplo pri R a akumuluje sa v elektromagnetickom poli s indukčnosťou L.

2. α <θ < π. Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr. 5.

Obr. 5… Ekvivalentný obvod pre α <θ < π

V tomto intervale EMF samoindukcie eL zmenilo svoje znamienko (v tomto čase θ = δ).

Pri θ δ dL mení svoje znamienko a má tendenciu udržiavať prúd v obvode. Je vedený podľa U1. V tomto intervale sa energia zo siete a akumulovaná v poli indukčnosti L premení na teplo v R.

3. π θ α + λ. Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr. 6.

Ryža. 6 Ekvivalentný obvod

V určitom časovom bode θ = π sieťové napätie U1 zmení svoju polaritu, ale tyristor VS1 zostáva vo vodivom stave, pretože egL presahuje U1 a priepustné napätie sa na tyristore udržiava. Prúd pri pôsobení dL bude prechádzať záťažou v rovnakom smere, zatiaľ čo energia uložená v poli indukčnosti L nebude úplne spotrebovaná.

V tomto intervale sa časť energie akumulovanej v indukčnom poli premení na teplo v odpore R a časť sa prenesie do siete. Proces prenosu energie z obvodu jednosmerného prúdu do obvodu striedavého prúdu sa nazýva inverzia... Dôkazom toho sú rôzne znaky e a i.

Trvanie toku prúdu v úseku so zápornou polaritou U1 závisí od pomeru medzi veličinami L a R (XL=ωL). Čím väčší je pomer — ωL/R, tým dlhšie trvá tok prúdu λ.

Ak je v zaťažovacom obvode L indukčnosť, tvar prúdu sa vyhladzuje a prúd tečie aj v oblastiach so zápornou polaritou U1... V tomto prípade sa tyristor VS1 pri prechode napätia U1 cez 0 nezatvára. a momentálne prúd klesne na nulu. Ak ωL/ R→oo, potom v α = 0 λ → 2π.

Princíp činnosti jednofázového mostíkového usmerňovača v nepretržitom režime pri prevádzke aktívnych a aktívnych indukčných záťaží

Výkonový obvod jednofázového mostíkového usmerňovača je znázornený na obr. 7 a časové diagramy jeho práce na aktívnom zaťažení sú znázornené na obr. osem.

Ventilový mostík (obr. 7) obsahuje dve skupiny ventilov — katódu (nepárne ventily) a anódu (párne ventily). V mostíkovom obvode je prúd prenášaný súčasne dvoma ventilmi - jedným z katódovej skupiny a jedným z anódovej skupiny.

Ako je možné vidieť na obr. 7 sú hradla zapnuté tak, že počas kladných polcyklov napätia U2 prúdi cez hradla VS1 a VS4 a pri záporných polperiódach cez hradla VS2 a VS3. Vychádzame z predpokladu, že ventily a transformátor sú ideálne, t.j. Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Ryža. 7. Schéma jednofázového mostíkového usmerňovača

Ryža. 8. Schémy činnosti jednofázového mostíkom riadeného usmerňovača na odporovej záťaži

V tomto obvode vedie v každom okamihu pár tyristorov VS1 a VS4 prúd v kladných polcykloch U2 a VS2 a VS3 v záporných. Keď sú všetky tyristory zatvorené, na každý z nich sa privedie polovičné napájacie napätie.

Pri θ =α otvorte VS1 a VS4 a záťaž začne prúdiť cez otvorené VS1 a VS4. Predchádzajúce VS2 a VS3 pracujú pri plnom sieťovom napätí v opačnom smere.Keď v = l-, U2 zmení znamienko a keďže záťaž je aktívna, prúd sa vynuluje a na VS1 a VS4 sa privedie spätné napätie a uzavrú sa.

Pri θ =π +α sa tyristory VS2 a VS3 otvoria a záťažový prúd ďalej tečie rovnakým smerom. Prúd v tomto obvode pri L = 0 má prerušovaný charakter a iba pri α= 0 bude prúd okrajovo súvislý.

Limitný nepretržitý režim je režim, v ktorom prúd v určitých časových okamihoch klesá na nulu, ale nie je prerušený.

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

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

Okruhová prevádzka pre aktívnu indukčnú záťaž

Zaťaženie R-L je typické pre vinutia elektrických prístrojov a vinutia poľa elektrických strojov alebo keď je na výstupe usmerňovača inštalovaný indukčný filter. Vplyv indukčnosti ovplyvňuje tvar krivky záťažového prúdu, ako aj priemerné a efektívne hodnoty prúdu cez ventily a transformátor. Čím vyššia je indukčnosť obvodu záťaže, tým nižšia je zložka striedavého prúdu.

Pre zjednodušenie výpočtov sa predpokladá, že záťažový prúd je dokonale vyhladený (L→oo). Toto je legálne, keď ωNSL> 5R, kde ωNS — kruhová frekvencia výstupného zvlnenia usmerňovača. Ak je táto podmienka splnená, chyba výpočtu je zanedbateľná a možno ju ignorovať.

Časové diagramy činnosti jednofázového mostíkového usmerňovača pre aktívne indukčné zaťaženie sú znázornené na obr. deväť.

Ryža. 9. Schémy činnosti jednofázového mostíkového usmerňovača pri prevádzke na RL záťaži

Aby sme preskúmali procesy prebiehajúce v schéme, oddelíme tri oblasti práce.

1. a. Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr.desať.

Ryža. 10. Ekvivalentný obvod usmerňovača

V uvažovanom intervale sa energia zo siete premení na teplo v odpore R a časť sa akumuluje v elektromagnetickom poli indukčnosti.

2. α <θ < π. Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr. jedenásť.

Ryža. 11. Ekvivalentný obvod usmerňovača pre α <θ < π

V okamihu θ = δ EMF samoindukcie eL = 0, pretože prúd dosiahne svoju maximálnu hodnotu.

V tomto intervale sa energia akumulovaná v indukčnosti a spotrebovaná sieťou premení na teplo v odpore R.

3. π θ α + λ. Ekvivalentný obvod zodpovedajúci tomuto intervalu je znázornený na obr. 12.

Ryža. 12. Ekvivalentný obvod usmerňovača pri π θ α + λ

V tomto intervale sa časť energie naakumulovanej v indukčnom poli premení na teplo v odpore R a časť sa vráti do siete.

Pôsobenie EMP samoindukcie v 3. sekcii vedie k objaveniu sa sekcií so zápornou polaritou v krivke korigovaného EMF a rôzne znaky e a i naznačujú, že v tomto intervale dochádza k návratu elektrickej energie do siete.

Ak v čase θ = π + α nie je energia uložená v indukčnosti L úplne spotrebovaná, potom bude prúd i spojitý. Keď sú v určitom čase θ = π + α vyvedené otváracie impulzy na tyristory VS2 a VS3, na ktoré je privádzané prepustné napätie zo strany siete, tieto sa otvoria a cez ne je privedené spätné napätie na prevádzkové VS1 a VS4 zo siete. sieťovej strane, v dôsledku čoho sa zatvárajú, tento typ prepínania sa nazýva prirodzený.