Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей

1. Коммутация в однофазных схемах

В реальных схемах из-за наличия во входной цепи переменного тока индуктивных сопротивлений, в частности индуктивных сопротивлений обмоток согласующего трансформатора или входных реакторов, процесс коммутации имеет определенную длительность, т.е. процесс перехода тока с одного вентиля на другой происходит не мгновенно, а с некоторой постоянной времени контура коммутации.

Рис.1. Процессы коммутации: а - схема; б – осциллограммы

Помимо индуктивного сопротивления, на процессы коммутации влияет и входное активное сопротивление обмоток трансформатора, но его влияние в нормальных режимах значительно меньше. Поэтому рассмотрим процессы коммутации с учетом только входных индуктивных сопротивлений (), полагая при этом выпрямленный ток идеально сглаженным ().

Учитывая одинаковый характер процессов коммутации в различных вентильных схемах, остановимся на наиболее простой схеме выпрямления – однофазной двухполупериодной (рис.1,а).

Индуктивные сопротивления обмоток силового трансформатора учтены введением в схему индуктивностей ; и – мгновенные значения ЭДС вторичных полуобмоток.

Предположим, что в проводящем состоянии находится вентиль . В момент поступает отпирающий импульс на вентиль .

Поскольку потенциал анода вентиля в этот момент положителен относительно катода, вентиль включается (рис.1,б).

Начиная с момента оба вентиля будут включены, и вторичные полуобмотки трансформатора оказываются замкнутыми через вентили и накоротко. Под воздействием ЭДС вторичных полуобмоток и в короткозамкнутой цепи (контур коммутации) возникает ток короткого замыкания , который является коммутирующим током.

Этот ток можно в любой момент времени, начиная с , определить как сумму двух составляющих: установившейся и свободной , которые рассчитываются по следующим соотношениям:

;

где – действующее значение напряжения вторичной полуобмотки трансформатора; ; - угол управления.

Результирующий ток короткого замыкания можно записать в виде

Учитывая, что выпрямленный ток при в период коммутации остается неизменным, можно записать для узла 0 или следующее уравнение токов:

где – среднее значение выпрямленного тока или тока нагрузки. Последнее уравнение справедливо для любого момента времени. Пока ток проводит только вентиль , получаем

; .

В интервале коммутационного процесса () от до ток плавно увеличивается, а уменьшается. Когда ток будет равным , а ток снизится до нуля, вентиль выключится, и ток нагрузки будет протекать лишь через вентиль .

Длительность интервала коммутации характеризуется обычно углом коммутации , который может быть определен для рассмотренной схемы из следующего уравнения:

(1)

Обозначив угол коммутации при угле через , можно записать

(2)

подставив (2) в (1) получим

(3)

Замечание 1. Длительность протекания тока в вентилях по сравнению с идеализированной схемой увеличивается на угол и становится равной .

Замечание 2. Процесс коммутации оказывает непосредственное влияние на выпрямленное напряжение , так как на интервалах коммутации мгновенное значение выпрямленного напряжения в рассмотренной схеме снижается до нуля. В результате этого происходит уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения на .

(4)

Для нашего случая имеем , таким образом, падение напряжения в коммутационном интервале выразится как

или

(5)

но

где

(6)

При непрерывных токах, т.е. токах, при которых существуют коммутационные провалы напряжения , имеем регулировочную характеристику (рис.2).

Рис.2. Регулировочные характеристики

Процедура определения угла коммутации по регулировочной характеристике (рис. 2):

находим и откладываем ее на регулировочной характеристике,
от точки откладываем ,
проводим прямую, и, опустив перпендикуляры на ось , получаем угол коммутации .

Среднее значение выпрямленного напряжения для рассмотренной схемы

Рассмотренный принцип нахождения угла коммутации применим к любой схеме, но при условии непрерывного тока .

Замечание 3. Появление коммутационных участков в выпрямленном напряжении приводит к изменению его гармонического состава (5-8%). Угол коммутации влияет и на гармонический состав первичного тока (тока, забираемого из сети), потребляемого выпрямителем.

2. Влияние процесса коммутации в других схемах.

Однофазная мостовая схема по принципу действия подобна однофазной двухполупериодной схеме, рассмотренной ранее (рис.3).

Рис.3. Мостовая однофазная схема

Отличие состоит в том, что при коммутации тока в этой схеме возникают два контура коммутации, каждый из которых состоит из двух вентилей и вторичной обмотки трансформатора: один контур – из вентилей и , а другой – из . Ток распределяется между этими контурами поровну (рис.3).

Для мостовой схемы имеем

; .

Среднее значение выпрямленного напряжения

где

(7)

В многофазных схемах () возникают частичные контуры короткого замыкания между отдельными фазами. При этом мгновенное значение выпрямленного напряжения не падает до нуля, а становится равным среднему арифметическому значению напряжений фаз, в вентилях которых коммутируются токи. Так, для трехфазных схем со средней точкой и мостовой мгновенное значение выпрямленного напряжения на интервале коммутации тока между вентилями фаз и равно

где и – мгновенные значения фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Длительность протекания тока через вентили увеличивается на угол и становится равной . В схемах со средней точкой и трехфазной мостовой угол коммутации связан с выпрямленным током и углом следующим соотношением:

Рис.4. Процесс коммутации в трехфазной схеме

Падение напряжения , на которое уменьшаются средние значения выпрямленного напряжения, равно:

в трехфазной схеме со средней точкой

(8)

в трехфазной мостовой схеме

(9)

Часто встречается выражение , что не всегда оправдано, т.к. есть еще коэффициент схемы.

3. Внешние характеристики выпрямителей

Внешней характеристикой выпрямителя называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки, т.е. .

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением выпрямителя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки. Снижение напряжения обусловлено активным сопротивлением схемы выпрямителя , падением напряжения в вентилях и индуктивным сопротивлением , которое проявляется при процессах коммутации.

Соответственно внешнюю характеристику выпрямителя (при ) можно записать в виде следующего уравнения:

где находится по выражениям (7-9);

; ; ; – падение напряжения на вентилях (0.5...2)В. - в режиме непрерывных токов; - из регулировочной характеристики для каждого частного случая; - при работе выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока [1].

4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС

Рассмотрим влияние противо-ЭДС на электромагнитные процессы в схеме выпрямителя на примере однофазной схмы со средней точкой, в цепь постоянного тока которой включена аккумуляторная батарея с ЭДС Е₀ и внутренним сопротивлением R_d (рис.5,а).

Рис.5. Выпрямитель с противо-ЭДС: а – схема, б – диаграммы напряжения и тока

Предположим, что ключ замкнут, т.е. индуктивность отсутствует. В этом случае ток в нагрузке начинает протекать, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения превышает ЭДС (рис.5,б), так как только при этом условии к вентилям схемы будет приложено прямое напряжение, и они будут проводить ток.

Ток i_d, протекающий в этом случае в цепи нагрузки, можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:

(10)

Очевидно, что интервал проводимости вентилей будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора и противо-ЭДС . Тогда интервал проводимости вентилей можно записать в виде

Учитывая, что отсчет ведется от максимума выпрямленного напряжения, можно записать

(11)

или

Подставляя (11) в (10), получаем следующее выражение для мгновенного значения тока в нагрузке:

Среднее значение выпрямленного тока (постоянную составляющую) можно определить из соотношения

(12)

Для схемы -фазного выпрямителя уравнение (12) принимает вид

(13)

где – амплитуда фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Если в цепь постоянного тока включена индуктивность (ключ разомкнут), то пульсация выпрямленного тока уменьшается и при становится равной нулю. В этом случае можно записать

где – среднее значение выпрямленного напряжения из регулировочной характеристики.

Пример. Рассчитать интервал проводимости и среднее значение тока вентилей неуправляемого выпрямителя, выполненного по однофазной схеме со средней точкой и работающего на противо-ЭДС.

Исходные данные следующие:

действующее значение напряжение вторичной полуобмотки трансформатора ;

противо-ЭДС в цепи постоянного тока ;

внутреннее сопротивление источника противо-ЭДС ;

индуктивность в цепи постоянного тока L_d=0.

Определим по (11) угол отсечки вентилей :

Тогда интервал проводимости вентилей

Среднее значение выпрямленного тока

Среднее значение тока вентиля равно

ЛИТЕРАТУРА

Архангельский Н.Л., Чистосердов В.Л. Системы управления электроприводами. Практ. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. - Иваново, 2000. – 156 с.

Контрольные вопросы

1. На какие параметры схем выпрямления влияют коммутационные процессы?

2. От каких параметров схем выпрямления зависит падение напряжения в коммутационный период?

3. Что понимаем под внешней характеристикой, и какие параметры схемы влияют на ее характер?

4. Каким образом влияет противо-ЭДС нагрузки на параметры вентильного преобразователя?

5. В однофазной схеме рис.1 найти падение напряжения в коммутационный период, если известно, что , , , .

Ответ:

6. В однофазной мостовой схеме выпрямления найти падение напряжения и угол коммутации , если известно, что , , , , .

Ответ:

3.65 В, .

7. Найти напряжения внешней характеристики трехфазного мостового выпрямителя при холостом ходе и при нагрузке, если известно, что , , , , .

Ответ:

95 В, 90 В.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира