Материал: 3773

. (6)

Нагрузка активно – индуктивная RL .

Положим , что ключи S1 и S2 разомкнуты ; в этом случае цепь нагрузки – активно-индуктивная без обратного диода ; диаграммы напряжения на RL нагрузке U_RL и тока и нагрузки i₀ приведены на рис . 3 , в , г . В зависимости от величины L₀ и угла вклю – чения α , ток может быть разрывным (в) и неразрывным (г) . Пока интервал проводи − мости тиристоров λ = β − α < 180⁰, ФУВ работает в режиме разрывного тока (в) и U_RL определяется по формуле

Рис . 3

.

9

При некотором граничном α = α_гр , интервал проводимости тиристоров λ = 180⁰ и выпрямитель переходит в режим неразрывного тока . В этом случае для диапазона изменения угла включения 0 < α < α_гр , пределы интегрирования при определении U_RL : α … π − α , поэтому

, (7 , а)

или

U₀ = U_нср = U_0.макс cosα , (7 , б)

Объяснение этому следующее : энергии , запасенной в магнитном поле дросселя , достаточно для поддержания тока нагрузки до включения следующего тиристора .

Если индуктивность L очень велика , то , в идеале при отсутствии потерь , в соот − ветствии с формулой (7) для управления напряжением нагрузки в пределах U_RLмакс … 0 достаточно изменять угол включения α от 0 до 90⁰ . На практике такой режим в рассматриваемой схеме без дополнительного источника энергии реализовать невоз – можно .

Нагрузка активно – индуктивная RL с обратным диодом

Положим ключ S1 разомкнут , ключ S2 замкнут , т.е. нагрузка – активно−индук − тивная с обратным диодом (графики напряжения U_v0 и тока i₀ приведены на рис . 3 , д). Введение обратного диода увеличивает эффективность ФУВ с RL – нагрузкой как управляемого источника напряжения . В этом случае режим неразрывного тока принципиально (теоретически) может иметь место при любых α < 180⁰ . При нали − чии V₀ выключение тиристоров происходит в моменты перехода напряжений U₂ и U′₂ через нуль . Поэтому U_RL = U_v0 ≈ U₀ определяется , как и в случае с активной нагруз − кой выражением (2) .

,

Максимальные средние значения напряжения и тока нагрузки при α = 0

, .

Если τ_н = L₀/R_н очень велика и пульсацией тока нагрузки можно пренебречь , то согласно рис . 21 , д , ток I_v0 можно определить из соотношения

. (8)

Исследование полученной зависимости на экстремум показывает , что I_v0 достигает максимума при α = 75⁰ , а именно I_v0.макс ≈ 0,27I_0макс .

10

Однофазный двухполупериодный (мостовой) ФУВ .

Схема мостового ФУВ , приведена на рис . 4 , а ; вторичная обмотка питающего трансформатора T не имеет средней точки , в отличие от предыдущей схемы . VS3 и VS4 – тиристоры , или управляемые вентили ;V1 и V2 – обычные неуправляемые

диоды , или вентили . V1 и V2 соединены между собой катодами и образуют катодную группу вентилей . V3 , V4 соединены анодами и образуют анодную группу . Половина вентилей моста – неуправляемые . В технике такие схемы называют смешанными , несимметричными , или полууправляемыми ФУВ . Возможен и такой вариант не −

симметричной схемы , когда управляемые вентили размещаются на одной стороне моста , например VS1,VS4 – тиристоры , а V2 , V3 – вентильные диоды (или наоборот) .

Рассмотрим работу и особенности несимметричного моста .

Нагрузка ФУВ активная R_н .

Ключ S1 замкнут , положение ключа S2 – любое . В положительный полупериод напряжения U_2~ ( на рис . 4 , а , б знаки без скобок) схема управления формирует си − гнал U_упр на включение тиристора VS3 ; в силовой цепи поте чет ток I_v1 по контуру : «+»U_2~ − V1 – замкнутый ключ S1 – R_н – VS3 – «−»U_2~ . Следующий полупериод (знаки в скобках) будет положительным , рабочим для пары вентилей V2 ,VS4 . Контур протекания тока I_v2 : (+)U_2~ − V2 – S1 – R_н – VS4 – (−)U_2~ . Очевидно , в каждом из полупериодов в цепи нагрузки протекают одинаковые токи I_v1 = I_v2 = I₀ . Так как нагрузка активная , то формы напряжения u₀ и тока i₀ нагрузки совпадают (рис . 4 , б) .

Нагрузка активно – индуктивная RL без обратного диода .

Ключи S1 , S2 разомкнуты . Здесь , как и в предыдущей схеме ФУВ , возможны два режима работы : разрывных токов нагрузки и неразрывных . Графики токов и напряжений для обоих режимов приведены на рис . 4 , в и г соответственно . Рас – смотрим работу ФУВ .

Первый полупериод , в соответствии со знаками U_2~ на рис . 4 , а , в , является ра − бочим для пары вентилей V1 ,VS3 . В момент ωt = α сигналом управления U_упр вклю − чается тиристор VS3 и через открытые V1 , VS3 в интервале фазовых углов α…π к RL – нагрузке прикладывается напряжение U₂ . Ток i₀ течет по цепи «+»U_2~ − V1 – L₀ –R_н – VS3 − «−»U_2~ . На концах обмотки дросселя L₀ появляется противо – э.д.с. (знаки без скобок) , препятствующая быстрому росту тока i₀ , при этом в магнитном поле сер− дечника дросселя накапливается энергия . Когда i₀ с уменьшением U_2~ начинает спа − дать , противо – э.д.с. меняет знаки (знаки в скобках) . Теперь энергия , накопленная в

11

магнитном поле , будет расходоваться на поддержание тока нагрузки . Если запас

Рис . 4

энергии достаточно велик , то тиристор VS3 остаётся включенным после смены знака U_2~ , пока противо – э.д.с. больше U_2~ , а ток i₀ сохраняет прежнее направление .

Следует иметь в виду , что под действием противо – э.д.с. закрывается диод V1 и открывается V2 . Теперь ток i₀ протекает в контуре (+)L₀ – R_н – VS3 – V2 – (−)L₀ .Если ωL₀ >> R_н , то i₀ не успевает снизиться до нуля к моменту включения тиристора VS4 в следующем полупериоде . ФУВ работает в режиме неразрывных токов .

Особенностью полууправляемой схемы является следующее . Допустим , что ФУВ работал в режиме максимальной отдачи , когда α ≈ 0 , (рис . 5) и в некоторый момент времени произошел сбой в работе схемы управления , а именно , к концу рабочего полупериода тиристора VS3 сигналы управления U_упр снимаются . До сбоя тиристор VS3 в интервале α…π работал в паре с диодом V1 , в интервале π…α следующего полупериода – в паре с диодом V2 . Ток будет протекать по контуру (+)L₀ – R_н – VS3 – V2 – (−)L₀ . Если ωL₀ >> R_н , и ток i₀ не уменьшается до нуля , то тиристор VS3 в паре с диодом V2 останется включенным к началу следующего своего рабочего полупери − ода . Таким образом , схема будет работать как однопульсный выпрямитель с обрат – ным диодом . Напряжение на нагрузке установится на уровне U₀ = U_m/π .даже при отсутствии управляющего сигнала .

12

Это − недостаток , поскольку ФУВ теряет управляемость . Чтобы обеспечить уп − равление средними значениями напряжения и тока нагрузки в соответствии с выра − жениями (1) и (2) , параллельно нагрузке включается обратный диод V₀ (ключ S2 за – мкнут) . При этом энергия , запасаемая в цепи нагрузки , «разряжается» в интервалах пауз (π…α , 2π…α , 3π…α и т.д.) и не препятствует запиранию тиристоров . При сбое или снятии сигнала управления U₀ быстро снижается до нуля .

Рис . 5

Нагрузка активно-индуктивная RL с обратным диодом .

Kлюч S1 разомкнут , S2 замкнут . Работа на RL – нагрузку с обратным диодом осно – вывается на тех же соотношениях , что и для схем двухфазного однополупериод − ного ФУВ с однотипной нагрузкой . Графики напряжения U_v0 , U₀ и тока I₀ приведе – ны на рис . 4 , д .

, , .

I_н.ср = , . .

3 . Статические характеристики фув

Статические характеристики снимаются в ходе выполнения лабораторной рабо – ты . В то же время они могут быть рассчитаны теоретически по эквивалентным схе – мам замещения силовой цепи ФУВ . Необходимым условием составления эквива – лентной схемы является неразрывность тока в цепи нагрузки . Режим неразрывного

13

тока возможен даже при малом числе фаз выпрямления , если нагрузка активно – индуктивная с обратным диодом .

На рис . 6 представлена схема замещения силовой цепи одной фазы ФУВ , рабо – тающего на LR – нагрузку с обратным диодом . Введем обозначения элементов схе – мы . U~ = U_msinωt ; z_вн – напряжение и внутреннее сопротивление источника пита − ния (фазы сети или силового трансформатора) ; R_v – сопротивление тиристора в сос – тоянии насыщения ; R_v0 – сопротивлении обратного диода при прямом смещении ; R_ф – активное сопротивление обмотки фильтра L ; R_н – сопротивление нагрузки .

Внутреннее , а точнее выходное , сопротивление трансформатора в общем случае – комплексное z_вн = r_вн + jX_s , здесь :

а) r_вн = r_вых = r₂ + r₁∙n² – выходное активное сопротивление трансформатора , где r₁ и r₂ – активное сопротивление активной и первичной W1 и вторичной W2 обмоток транc − форматора , питающего ФУВ ; n = W₂/W₁ – коэффициент трансформации (W′₂/W₁ – для трансформатора со средней точкой) ;

б) L_s = L_2s + L_1s∙n² – суммарная индуктивность рассеяния трансформатора .

В относительно маломощных трансформаторах учитывается активная составляющая выходного сопротивления – r_вн .

Рис . 6

I₀ – среднее значение тока нагрузки . Ключи S1 и S2 отражают функции тирис − тора и обратного диода в различных интервалах работы выпрямителя . Предполага − ется , что ток нагрузки неразрывный и уровень пульсации тока I₀~ невелик .

В интервале проводимости тиристора , т.е. от α до π , ключ S1 (тиристор) зам − кнут , а ключ S2 (обратный диод) разомкнут и нагрузка подключена к источнику

14

питания U~ через сопротивление R_v . В интервалах фазовых углов 0…α тиристор выключен (ключ S1 разомкнут ) и ток нагрузки I₀ поддерживается за счет энергии , накопленной в магнитном поле обмотки индуктивного фильтра (дросселя) L . При этом диод V₀ смещен прямо (ключ S2 замкнут) , а ток I₀ протекает по контуру , сос – тавленному из элементов R_v0 – R_ф – R_н .

Приведенные рассуждения позволяют сделать вывод , что через элементы R_н и R_ф ток нагрузки течет весь период , через r_вн и R_v только в интервалах α…π , а через R_v0 – только в и нтервале 0…α . Таким образом , для средних значений токов и напряже − ний , действующих в силовой цепи , справедливо выражение

.

4. Типовая структурная схема управления фув

Тиристорные фазоуправляемые выпрямители относятся к классу преобразова − тельных устройств . Основное отличие их от транзисторных преобразователей (ТП) в том , что ФУВ питаются от сети переменного тока либо непосредственно , либо через промежуточный силовой трансформатор и преобразуют переменное напряжение в постоянное .

Если схемы управления (Сх.У) ФУВ и ТП разделить на функциональные узлы , то можно убедиться , что они не имеют принципиальных отличий . Подробные описания Сх.У , примеры расчетов приведены в [ 3 ] . Здесь будут рассмотрены Сх.У тирис − торами ФУВ , которые реализуют , так называемый , вертикальный принцип .

На рис . 8 представлена типовая функциональная схема Сх.У и диаграмма нап – ряжений , поясняющая её работу . Схему условно делят на два узла : 1.Фазосдви − гающее устройство (ФСУ) . 2. Генератор импульсов (ГИ) .

16

ФСУ преобразует медленно меняющийся входной сигнал U_вх в напряжение пря − моугольной формы U_пэ = U_шим , причем длительность (ширина) импульсов U_шим = U_пэ зависит от уровня U_вх . Опишем состав ФСУ и сигналы , действующие в нем .

ГСИ – генератор синхронизирующих импульсов ; ГПН – генератор напряжения пилообразной формы ; ПЭ пороговый элемент , или схема сравнения . Обозначения сигналов : U_син – напряжение , синхронизирующее работу ГСИ и ГПН с напряжением питающей сети ; U_пэ = U_шим – напряжение на выходе ПЭ ; U_вх – напряжение входного сигнала , изменяющее угол включения тиристоров .

Работа ФСУ .

U_син – выпрямленное синусоидальное напряжение . В конце и начале каждого по − лупериода ГСИ под действием U_син формирует короткие по длительности синхро − импульсы . Временные интервалы между синхроимпульсами определяют период Т напряжения «пилы» U_п . Очевидно , что период Т должен совпадать с длительностью полупериода напряжения сети , питающей ФУВ . Между моментами появления син − хроимпульсов напряжение U_п на выходе ГПН медленно нарастает (обычно по ли − нейному закону) , а в конце периода практически мгновенно падает до нуля .

Напряжения пилы и входного сигнала U_п и U_вх подаются на входы ПЭ , представ − ляющего собой устройство , у которого выходной сигнал зависит от соотношения между U_п и U_вх . Если выполняется условие U_п > U_вх , то U_пэ = U_шим = 0 . Как только U_п становится больше U_вх , напряжение U_шим скачком возрастает до некоторого значения и сохраняет его , пока U_п > U_вх , то есть до конца периода Т . Возможен и другой ва – риант работы ПЭ . При U_п < U_вх , U′_шим > 0 ; при U_п > U_вх , U′_шим = 0 . Таким образом , ПЭ выполняет функцию компаратора , сравнивающего U_п и U_вх .

Напряжение U_шим имеет форму импульса с длительностью (шириной) T_и , завися − щей от уровня U_вх . Если U_вх уменьшается , то передний фронт импульса U_шим сдви − гается влево , Т_и растет . Или , если задний фронт импульса U′_шим сдвигается влево , Т_и уменьшается . Задача следующего узла схемы управления ГИ – из движущегося фронта «широкого» импульса U_шим или U′_шим сформировать короткий и достаточно мощный для включения тиристора импульс U_упр на управляющем переходе в момент ωt = α . Угол включения тиристора α определяется уровнем U_вх .

Отношение Т_и/Т называют коэффициентом заполнения K_з , а зависимость K_з = f(U_c) – модуляционной характеристикой ФСУ . Вид характеристики определяется формой U_п . Если U_п – напряжение пилообразной формы , то модуляционная характеристика – линейная