Prostowniki jednofazowe - schematy i zasada działania

Prostownik to urządzenie przeznaczone do przekształcania wejściowego napięcia przemiennego na napięcie stałe. Głównym modułem prostownika jest zespół pił żyłkowych bezpośrednio przetwarzający napięcie AC na DC.

W przypadku konieczności dopasowania parametrów sieci do parametrów obciążenia, zestaw prostownikowy podłączany jest do sieci poprzez transformator dopasowujący. W zależności od liczby faz sieci zasilającej prostowniki są jednofazowe i trzy fazy… Zobacz więcej szczegółów tutaj — Klasyfikacja prostowników półprzewodnikowych… W tym artykule rozważymy działanie prostowników jednofazowych.

Jednofazowy prostownik półfalowy

Najprostszym obwodem prostownika jest jednofazowy prostownik półfalowy (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat prostownika półfalowego sterowanego jednofazowo

Schemat działania prostownika R-load pokazano na rysunku 2.

Ryż. 2. Schematy działania prostownika przy obciążeniu R

Aby otworzyć tyrystor, muszą być spełnione dwa warunki:

1) potencjał anody musi być wyższy niż potencjał katody;

2) do elektrody sterującej musi być przyłożony impuls otwierający.

Dla tego obwodu równoczesne spełnienie tych warunków jest możliwe tylko podczas dodatnich półcykli napięcia zasilającego. Impulsowy układ sterowania fazą (SIFU) powinien wytwarzać impulsy otwierające tylko w dodatnich NSoluneriodach napięcia zasilania.

Przy ubieganiu się o tyrystor VS1 impulsu otwierającego w chwili θ = α tyrystor VS1 otwiera się, a napięcie zasilania U jest przykładane do obciążenia1 podczas pozostałej części dodatniego półcyklu (spadek napięcia w kierunku przewodzenia na zaworze ΔUv nieznaczny w porównaniu z napięciem U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Ponieważ obciążenie R jest aktywne, prąd w obciążeniu powtarza kształt napięcia.

Pod koniec dodatniego półcyklu prąd obciążenia i i zawór VS1 zmniejszą się do zera (θ = nπ), a napięcie U1 zmieni swój znak. Dlatego do tyrystora VS1 przykładane jest napięcie wsteczne, pod działaniem którego zamyka się i przywraca swoje właściwości kontrolne.

Takie przełączanie zaworów pod wpływem napięcia źródła zasilania, które okresowo zmienia swoją polaryzację, nazywa się naturalnym.

Z wykresów widać, że zmiana jednego przewodu prowadzi do zmiany części dodatniego półokresu, w którym napięcie zasilające jest podawane do obciążenia, a co za tym idzie, do regulacji poboru mocy. Wtrysk α charakteryzuje opóźnienie momentu otwarcia tyrystora w stosunku do momentu jego naturalnego otwarcia i nazywany jest kątem otwarcia (sterowania) zaworu.

SEM i prąd prostownika to kolejne segmenty dodatnich fal półsinusoidalnych, o stałym kierunku, ale nie stałej wielkości, tj. wyprostowane pole elektromagnetyczne i prąd mają charakter okresowego pulsowania. A każdą funkcję okresową można rozwinąć w szereg Fouriera:

mi (t) = mi + en(T),

gdzie E jest stałą składową skorygowanego pola elektromagnetycznego, en(T) — składową zmienną równą sumie wszystkich składowych harmonicznych.

Możemy zatem założyć, że do obciążenia przyłożona jest stała siła elektromotoryczna zniekształcona przez składową zmienną en (t). Stała składowa pola elektromagnetycznego E jest główną cechą rektyfikowanego pola elektromagnetycznego.

Nazywa się proces regulacji napięcia obciążenia poprzez jego zmianę kontrola fazy... Ten schemat ma kilka wad:

1) wysoka zawartość wyższych harmonicznych w skorygowanym SEM;

2) duże tętnienia pola elektromagnetycznego i prądu;

3) przerywana praca obwodu;

4) stosowanie niskiego napięcia obwodu (kche = 0,45).

Tryb prądu przerywanego pracy prostownika to taki tryb, w którym następuje przerwanie prądu w obwodzie obciążenia prostownika, tj. staje się zerem.

Jednofazowy jednofazowy prostownik półfalowy podczas pracy z aktywnym obciążeniem indukcyjnym

Schematy czasowe działania prostownika półfalowego dla obciążenia RL pokazano na ryc. 3.

Ryż. 3. Schematy działania prostownika jednopołówkowego dla obciążenia RL

Aby przeanalizować procesy zachodzące w schemacie, wyznaczmy trzy przedziały czasowe.

1. α <θ <δ… Obwód zastępczy odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc. 4.

Odnośnie. 4. Obwód zastępczy dla α <θ <δ

Zgodnie z równoważnym schematem:

W tym przedziale czasu eL (samoindukcja pola elektromagnetycznego) jest spolaryzowana z powrotem do napięcia sieciowego U1 i zapobiega gwałtownemu wzrostowi prądu. Energia z sieci jest zamieniana na ciepło w punkcie R i jest akumulowana w polu elektromagnetycznym o indukcyjności L.

2. α <θ < π. Równoważny obwód odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc. 5.

Figa. 5… Obwód zastępczy dla α <θ < π

W tym przedziale EMF samoindukcji eL zmienił swój znak (w tym czasie θ = δ).

W θ δ dL zmienia swój znak i dąży do utrzymania prądu w obwodzie. Jest skierowany zgodnie z U1. W tym przedziale energia z sieci i zgromadzona w polu indukcyjności L jest zamieniana na ciepło w R.

3. π θ α + λ. Równoważny obwód odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc. 6.

Ryż. 6 Równoważny obwód

W pewnym momencie θ = π napięcie sieciowe U1 zmienia swoją biegunowość, ale tyrystor VS1 pozostaje w stanie przewodzenia, ponieważ egL przekracza U1, a napięcie przewodzenia jest utrzymywane na tyrystorze. Prąd pod działaniem dL będzie płynął przez obciążenie w tym samym kierunku, podczas gdy energia zmagazynowana w polu indukcyjności L nie zostanie całkowicie zużyta.

W tym przedziale część energii zgromadzonej w polu indukcyjnym jest zamieniana na ciepło w rezystancji R, a część przekazywana jest do sieci. Proces przenoszenia energii z obwodu prądu stałego do obwodu prądu przemiennego nazywa się inwersją… Świadczą o tym różne znaki e i i.

Czas przepływu prądu w odcinku o ujemnej polaryzacji U1 zależy od stosunku wielkości L i R (XL=ωL). Im większy stosunek — ωL/R, tym dłuższy jest czas przepływu prądu λ.

Jeśli w obwodzie obciążenia L występuje indukcyjność, wówczas kształt prądu staje się gładszy i prąd płynie nawet w obszarach o ujemnej polaryzacji U1... W tym przypadku tyrystor VS1 nie zamyka się podczas przejścia napięcia U1 przez 0 iw tej chwili prąd spada do zera. Jeżeli ωL/ R→oo, to w α = 0 λ → 2π.

Zasada działania jednofazowego prostownika mostkowego w trybie ciągłym podczas pracy z obciążeniami czynnymi i czynno-indukcyjnymi

Obwód zasilania jednofazowego prostownika mostkowego pokazano na ryc. 7, a wykresy czasowe jego pracy na obciążeniu czynnym pokazano na ryc. osiem.

Mostek zaworowy (ryc. 7) zawiera dwie grupy zaworów — katodę (zawory nieparzyste) i anodę (zawory parzyste). W obwodzie mostkowym prąd jest przenoszony jednocześnie przez dwa zawory — jeden z grupy katodowej, a drugi z grupy anodowej.

Jak widać z rys. 7, bramki są włączone tak, że podczas dodatnich półokresów napięcia U2 prąd przepływa przez bramki VS1 i VS4, a podczas ujemnych półokresów przez bramki VS2 i VS3. Przyjmujemy założenie, że zawory i transformator są idealne, tj. Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Ryż. 7. Schemat jednofazowego prostownika mostkowego

Ryż. 8. Schematy działania jednofazowego prostownika sterowanego mostkowo przy obciążeniu rezystancyjnym

W obwodzie tym w dowolnej chwili para tyrystorów VS1 i VS4 przewodzi prąd w dodatnich półcyklach U2, a VS2 i VS3 w ujemnych. Gdy wszystkie tyrystory są zamknięte, do każdego z nich przykładana jest połowa napięcia zasilania.

Przy θ = α otwarte VS1 i VS4 i ładunek zaczyna przepływać przez otwarte VS1 i VS4. Poprzednie VS2 i VS3 działają z pełnym napięciem sieciowym w odwrotnym kierunku.Kiedy v = l-, U2 zmienia znak, a ponieważ obciążenie jest aktywne, prąd staje się zerowy, a napięcie wsteczne jest przykładane do VS1 i VS4 i zamykają się.

Przy θ =π +α tyrystory VS2 i VS3 otwierają się i prąd obciążenia nadal płynie w tym samym kierunku. Prąd w tym obwodzie przy L = 0 ma charakter przerywany i dopiero przy α = 0 będzie prądem marginalnie ciągłym.

Ograniczony tryb ciągły to tryb, w którym prąd w pewnych momentach spada do zera, ale nie jest przerywany.

Upr.max = Uobr.max = √2U2(z transformatorem),

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

Działanie obwodu dla obciążenia czynno-indukcyjnego

Obciążenie R-L jest typowe dla uzwojeń aparatury elektrycznej i uzwojeń wzbudzenia maszyn elektrycznych lub gdy na wyjściu prostownika zainstalowany jest filtr indukcyjny. Wpływ indukcyjności wpływa na kształt krzywej prądu obciążenia oraz średnie i skuteczne wartości prądu płynącego przez zawory i transformator. Im wyższa indukcyjność obwodu obciążenia, tym mniejsza składowa prądu przemiennego.

Dla uproszczenia obliczeń przyjmuje się, że prąd obciążenia jest doskonale wygładzony (L→oo). Jest to dopuszczalne, gdy ωNSL> 5R, gdzie ωNS — częstotliwość kołowa tętnienia wyjściowego prostownika. Jeśli ten warunek jest spełniony, błąd obliczeń jest nieznaczny i można go pominąć.

Schematy czasowe działania jednofazowego prostownika mostkowego dla obciążenia czynno-indukcyjnego pokazano na ryc. dziewięć.

Ryż. 9. Schematy działania jednofazowego prostownika mostkowego podczas pracy z obciążeniem RL

Aby zbadać procesy zachodzące w schemacie, wyodrębnimy trzy obszary pracy.

1. za. Równoważny obwód odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc.dziesięć.

Ryż. 10. Obwód zastępczy prostownika

W rozpatrywanym przedziale energia z sieci zamieniana jest na ciepło w rezystancji R i część gromadzi się w polu elektromagnetycznym indukcyjności.

2. α <θ < π. Równoważny obwód odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc. jedenaście.

Ryż. 11. Obwód zastępczy prostownika dla α <θ < π

W pewnym momencie θ = δ SEM samoindukcji eL = 0, ponieważ prąd osiąga swoją maksymalną wartość.

W tym przedziale energia zgromadzona w indukcyjności i pobrana przez sieć jest zamieniana na ciepło w rezystancji R.

3. π θ α + λ. Równoważny obwód odpowiadający temu przedziałowi pokazano na ryc. 12.

Ryż. 12. Obwód zastępczy prostownika przy π θ α + λ

W tym przedziale część energii zgromadzonej w polu indukcyjnym jest zamieniana na ciepło w rezystancji R, a część jest zwracana do sieci.

Działanie PEM samoindukcji w 3. odcinku prowadzi do pojawienia się odcinków o ujemnej polaryzacji na krzywej skorygowanego SEM, a różne znaki e oraz i wskazują, że w tym przedziale następuje zwrot energii elektrycznej do sieci.

Jeżeli w chwili θ = π + α energia zmagazynowana w indukcyjności L nie zostanie całkowicie zużyta, to prąd i będzie ciągły. Gdy w określonym czasie θ = π + α zostaną podane impulsy otwierające tyrystory VS2 i VS3, do których od strony sieci doprowadzone jest napięcie przewodzenia, otwierają się one i poprzez nie podawane jest napięcie wsteczne na pracujące VS1 i VS4 z po stronie sieci, w wyniku czego się zamykają, ten rodzaj przełączania nazywany jest naturalnym.