Еднофазни токоизправители — схеми и принцип на действие

Токоизправителят е устройство, предназначено да преобразува входното AC напрежение в DC напрежение. Основният модул на токоизправителя е набор от венозни триони, който директно преобразува променливотоково в DC напрежение.

Ако е необходимо параметрите на мрежата да се съпоставят с параметрите на товара, токоизправителният комплект е свързан към мрежата чрез съвпадащ трансформатор. Според броя на фазите на захранващата мрежа токоизправителите са еднофазни и три фази… Вижте повече подробности тук — Класификация на полупроводникови токоизправители… В тази статия ще разгледаме работата на еднофазни токоизправители.

Еднофазен полувълнов токоизправител

Най-простата токоизправителна верига е еднофазен полувълнов токоизправител (фиг. 1).

Ориз. 1. Схема на еднофазен управляван полувълнов токоизправител

Схеми на работа на токоизправителя R-натоварването са показани на фигура 2.

Ориз. 2. Схеми на работа на токоизправителя за R-товар

За да отворите тиристора, трябва да бъдат изпълнени две условия:

1) потенциалът на анода трябва да бъде по -висок от потенциала на катода;

2) към управляващия електрод трябва да се подаде отварящ импулс.

За тази верига едновременното изпълнение на тези условия е възможно само през положителни полупериоди на захранващото напрежение. Система за управление на импулсна фаза (SIFU) трябва да формира отварящи импулси само в положителен NSoluneriods на захранващото напрежение.

При кандидатстване за тиристор VS1 на отварящия импулс в момента на времето θ = α тиристор VS1 се отваря и захранващото напрежение U се прилага към товара1 през остатъка от положителния полуцикъл (спад на напрежението напред през клапана ΔUv незначително в сравнение с напрежението U1 (ΔUv = 1 — 2 V)). Тъй като натоварването R — активен, тогава токът в товара повтаря формата на напрежението.

В края на положителния полупериод токът на натоварване i и вентилът VS1 ще намалят до нула (θ = nπ), и напрежението U1 ще промени знака си. Поради това, към тиристор VS1 се прилага обратно напрежение, под действието на което се затваря и възстановява контролните си свойства.

Такива превключване на клапани под влияние на напрежението на източника на захранване, което периодично променя полярността си, се нарича естествен.

От диаграмите може да се види, че промяната в един проводник води до промяна в част от положителния полупериод, през който захранващото напрежение се прилага към товара, и следователно това води до регулиране на консумацията на енергия. Инжектиране α характеризира забавянето в момента на отваряне на тиристора спрямо момента на естественото му отваряне и се нарича ъгъл на отваряне (управление) на клапана.

ЕМП и токът на токоизправителя са последователни сегменти от положителни полусинусоидни вълни, постоянни по посока, но не постоянни по величина, т.е. коригираните ЕМП и ток имат периодичен пулсиращ характер. И всяка периодична функция може да бъде разгърната в ред на Фурие:

e (t) = E + eн(T),

където E е постоянният компонент на коригираната ЕМП, eн(T) — променлива компонента, равна на сумата от всички хармонични компоненти.

По този начин можем да приемем, че към товара се прилага постоянна ЕМП, изкривена от променливия компонент en (t). Постоянният компонент на ЕМП Е е основната характеристика на коригираната ЕМП.

Процесът на регулиране на напрежението в товара чрез промяна се нарича фазов контрол… Тази схема има няколко недостатъка:

1) високо съдържание на по -висока хармоника в коригираната ЕМП;

2) големи пулсации на ЕМП и ток;

3) периодична работа на веригата;

4) използване на ниско напрежение на веригата (кче =0,45).

Режимът на прекъсващ ток на работата на токоизправителя е такъв режим, при който токът в товарната верига на токоизправителя се прекъсва, т.е. става нула.

Еднофазен еднополувълнов токоизправител при работа на активно-индуктивен товар

Временните диаграми на работа на полувълнов токоизправител за RL-натоварване са показани на фиг. 3.

Ориз. 3. Диаграми на работа на половин вълнов токоизправител за RL-натоварване

За анализ на процесите, протичащи в схемата, нека отделим три времеви интервала.

1. α <θ <δ… Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. 4.

Rе. 4. Еквивалентна верига при α <θ <δ

Според еквивалентната схема:

През този интервал от време eL (ЕМП на самоиндукция) е насочено обратно на напрежението на мрежата U1 и предотвратява рязко увеличаване на тока. Енергията от мрежата се превръща в топлина при R и се натрупва в електромагнитното поле с индуктивност L.

2.α <θ < π. Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. 5.

Фиг. 5… Еквивалентна верига за α <θ < π

На този интервал ЕМП на самоиндукция eL промени своя знак (по това време θ = δ).

При θ δ дL променя знака си и се стреми да поддържа тока във веригата. Той е насочен според U1. В този интервал енергията от мрежата и натрупаната в полето на индуктивност L се превръщат в топлина в R.

3. π θ α + λ. Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. 6.

Ориз. 6 Еквивалентна верига

В един момент във времето θ = π мрежово напрежение U1 променя полярността си, но тиристорът VS1 остава в проводимо състояние, тъй като напрL надвишава U1 и напрежението напред се поддържа през тиристора. Токът под действието на дL ще тече през товара в същата посока, докато енергията се съхранява в полето на индуктивността L, няма да се консумира напълно.

В този интервал част от енергията, натрупана в индуктивното поле, се преобразува в топлина в съпротивлението R, а част се предава на мрежата. Процесът на прехвърляне на енергия от DC верига към AC верига се нарича обръщане… Това се доказва от различните знаци на e и i.

Продължителността на токовия поток в участъка с отрицателна полярност U1 зависи от съотношението между количествата L и R (XL=ωL). Колкото повече е отношението — ωL/ R, колкото по -голяма е продължителността на текущия поток λ.

Ако има индуктивност във веригата на натоварване L, тогава текущата форма става по -гладка и токът тече дори в области с отрицателна полярност U1… В този случай тиристорът VS1 не се затваря по време на прехода на напрежението U1 през 0 и в момента токът пада до нула. Ако ωL/ R→оо, тогава в α = 0 λ → 2π.

Принципът на действие на еднофазен мостов токоизправител в непрекъснат режим при работа на активни и активно-индуктивни товари

Силовата верига на еднофазен мостов токоизправител е показана на фиг. 7, а временните диаграми на работата му върху активното натоварване са показани на фиг. осем.

Клапанният мост (фиг. 7) съдържа две групи клапани — катодни (нечетни клапани) и анодни (четни клапани). В мостовата верига токът се осъществява едновременно от два клапана — един от катодната група и един от анодната група.

Както се вижда от фиг. 7, портите се включват така, че през положителните полупериоди на напрежението U2, токът протича през портите VS1 и VS4, а в отрицателните полупериоди през портите VS2 и VS3. Приемаме предположението, че клапаните и трансформаторът са идеални, т.е. Ltp = Rtp = 0, ΔUБ = 0.

Ориз. 7. Схема на еднофазен мостов токоизправител

Ориз. 8. Схеми на работа на еднофазен мостово управляван токоизправител върху резистивен товар

В тази верига във всеки момент от време една двойка тиристори VS1 и VS4 провежда ток в положителни полупериоди U2 и VS2 и VS3 в отрицателни. Когато всички тиристори са затворени, към всеки от тях се подава половината захранващо напрежение.

При θ =α отворени VS1 и VS4 и товарът започва да тече през отворените VS1 и VS4. Предишните VS2 и VS3 работят с пълно мрежово напрежение в обратна посока. Когато v = l-, U2 променя знака си и тъй като натоварването е активно, токът става нулев и към VS1 и VS4 се прилага обратно напрежение и те се затварят.

При θ =π +α тиристори VS2 и VS3 се отварят и токът на товара продължава да тече в същата посока. Токът в тази верига при L = 0 има прекъсващ характер и само при α= 0 токът ще бъде гранично-непрекъснат.

Граничен непрекъснат режим е режим, при който токът в някои моменти от времето намалява до нула, но не се прекъсва.

Upr.max = Uobr.max = √2U2(с трансформатор),

Upr.max = Uobr.max = √2U1(без трансформатор).

Работа на веригата за активно-индуктивен товар

Натоварването R-L е типично за намотки на електрически апарати и полеви намотки на електрически машини или когато е инсталиран индуктивен филтър на изхода на токоизправителя. Влиянието на индуктивността влияе върху формата на кривата на тока на натоварване, както и върху средните и ефективни стойности на тока през клапаните и трансформатора. Колкото по -висока е индуктивността на товарната верига, толкова по -ниска е съставната част на променливия ток.

За да се опростят изчисленията, се приема, че токът на натоварване е идеално изгладен (L→оо). Това е законно, когато ωNSL> 5R, където ωNS — кръговата честота на пулсациите на изхода на токоизправителя. Ако това условие е изпълнено, грешката при изчислението е незначителна и може да не бъде взета предвид.

Временните диаграми на работата на еднофазен мостов токоизправител за активно-индуктивен товар са показани на фиг. девет.

Ориз. 9. Схеми на работа на еднофазен мостов токоизправител при работа на RL товар

За да разгледаме процесите, протичащи в схемата, ще отделим три области на работа.

1. α. Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. десет.

Ориз. 10. Еквивалентна схема на токоизправител

В разглеждания интервал енергията от мрежата се превръща в топлина в съпротивлението R и част се натрупва в електромагнитното поле на индуктивността.

2.α <θ < π. Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. единадесет.

Ориз. 11. Еквивалентна верига на токоизправителя при α <θ < π

В един момент във времето θ = δ ЕМП на самоиндукция eL = 0, защото токът достига максималната си стойност.

В този интервал енергията, натрупана в индуктивността и консумирана от мрежата, се превръща в топлина в съпротивлението R.

3. π θ α + λ. Еквивалентната схема, съответстваща на този интервал, е показана на фиг. 12.

Ориз. 12. Еквивалентна схема на токоизправителя при π θ α + λ

В този интервал част от енергията, натрупана в индуктивното поле, се превръща в топлина в съпротивление R, а част се връща в мрежата.

Действието на ЕМП на самоиндукция в 3-ти участък води до появата на участъци с отрицателна полярност в кривата на коригираната ЕМП, а различните знаци на e и i показват, че в този интервал има връщане на електрическа енергия към мрежата.

Ако по времето θ = π + α енергията, съхранявана в индуктивността L, не се изразходва напълно, тогава токът i ще бъде непрекъснат. Когато се сервира в определен момент θ = π + α отварящи импулси към тиристори VS2 и VS3, към които се подава напрежение напред от страната на мрежата, те се отварят и чрез тях се прилага обратно напрежение към работещите VS1 и VS4 от страната на мрежата, в резултат на което те се затварят, това видът на превключване се нарича естествен.