Что такое выпрямительная установка
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
Рис. 59 Общий вид диода штыревой конструкции (а)
и его вольт-амперная характеристика (б)
Рис.60 Общий вид тиристора таблеточной конструкции
Таблеточные тиристоры и диоды зажимают контактными поверхностями, представляющими собой анодный и ка-
тодный электроды прибора, между двумя половинками охладителей, которые изолированы друг от друга.
Напряжение включения можно значительно снизить, если на управляющий электрод подать импульс тока. Очевидно, что тиристоры должны выдерживать в закрытом состоянии не только обратное напряжение, но и прямое. Переход тиристора в открытое состояние должен происходить только при наличии импульса тока в цепи управления.
Для тиристоров, как и для диодов, основными параметрами являются: предельный прямой ток, обратное повторяющееся напряжение, прямое падение напряжения, обратный ток утечки. Кроме того, существует ряд дополнительных параметров: прямое повторяющееся напряжение, ток управления, напряжение управления, время включения и выключения, а также ряд других параметров.
Обозначения тиристоров и диодов расшифровываются следующим образом. Например, в марке ДЛ123-320-20 буквы и цифры означают: Д — диод; Л — лавинный; 123 — группа цифр, характеризующих модификацию прибора, условный диаметр и конструктивное исполнение корпуса; 320 — предельный ток, А; 20 — класс вентиля. В марке Т253-1250-16 буква «Т» означает тиристор, а цифры расшифровываются так же, как в обозначении диода.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ РЕЖИМА ТЯГИ
Неуправляемые выпрямители широко применяют на электровозах переменного тока для питания тяговых двигателей в режиме тяги. Они преобразуют переменный ток в постоянный (пульсирующий). Выпрямители могут быть соединены с обмоткой трансформатора различными способами и вследствие этого имеют различную структуру. Самое простое включение показано на рис. 61, где выпрямитель состоит из одного диода.
Рис. 61. Схема однополупериодного выпрямления (а)
и кривая выпрямленного напряжения (б)
Электродвижущая сила во вторичной обмотке трансформатора, как и в первичной, изменяется по синусоиде. Когда э. д. с, а следовательно, и напряжение U, приложенное к выпрямителю, во вторичной обмотке действуют слева направо (на рис. 61, а направление показано сплошной стрелкой), потенциал анода диода VD выше, чем катода, и через двигатель проходит ток. При изменении направления э. д. с. на противоположное выпрямитель не пропускает тока. Таким образом, по цепи нагрузки проходит не постоянный, а пульсирующий ток: он постоянен только по направлению (рис. 61, б). Рассмотренная схема однополупериодного выпрямления на электровозе не используется. Для того чтобы через выпрямитель проходил ток в оба полупериода, применяют схему двухполупериодного выпрямления либо с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора, либо мостовую.
Рис.62. Схемы двухполупериодного выпрямления (а и б)
и кривая выпрмленного напряжения (в)
В схеме с нулевым выводом вторичную обмотку трансформатора делят на две равные части, выпрямитель и двигатель включают, как показано на рис. 62, а. Когда э. д. с, а следовательно, и напряжение в первый полупериод направлены слева направо (сплошная стрелка на рис. 62, а), проводит ток (открыт) диод VD2, а диод VD1 закрыт. К нему приложено напряжение, действующее в непроводящем направлении. При изменении направления э. д. с. трансформатора на противоположное ток проводит вентиль VD1. Таким образом, в течение обоих полупериодов через двигатель проходит ток, изменяющийся от нуля до амплитудного значения и вновь до нуля.
Недостаток такой схемы выпрямления заключается в том, что в каждый полупериод работает только половина
обмотки трансформатора, а это приводит к плохому использованию, а значит, и большему расходу меди.
Выпрямительная установка, собранная по мостовой схеме, состоит из четырех плеч (рис. 62, б). Когда напряжение во вторичной обмотке трансформатора действует слева направо, ток проходит через диод VD1, нагрузку (двигатель), диод VD3 в обмотку трансформатора (сплошные стрелки). При изменении направления напряжения (штриховые стрелки) ток проходит через диод VD2, нагрузку, диод VD4 и возвращается в обмотку трансформатора. Следовательно, как и в предыдущей схеме, ток в каждый полупериод проодит через нагрузку в одном направлении (рис. 62, в).
В мостовой схеме вторичная обмотка тягового трансформатора работает полностью. На первый взгляд кажется, что число вентилей в этой схеме удваивается. Однако напряжение, приходящееся на каждый диод, уменьшается в 2 раза. Поскольку каждое плечо моста VD1—VD4 имеет несколько последовательно включенных вентилей и несколько параллельных ветвей, то общее число диодов, необходимое для выпрямителя, питающего тяговые двигатели и собранного по мостовой схеме (см. рис. 62, б), равно числу диодов в схеме рис. 62, а. Так, один выпрямитель электровоза ВЛ80т(с) имеет в каждом плече моста 12 параллельных ветвей (рис. 63), каждая из которых содержит четыре последовательно включенных лавинных вентиля.
Рис. 63. Схема плеча выпрямительной установки восьмиосного электровоза
Следовательно, в одном выпрямителе имеется 4-4-12= 192 вентиля. Выпрямитель рассчитан на номинальные выпрямленные ток 3200 А и напряжение 1350 В. Он питает два тяговых двигателя. Поэтому на восьмиосных электровозах установлено четыре таких выпрямителя; общее число вентилей в них равно 708. Коэффициент полезного действия выпрямителя 99%. Выпрямитель размещен в двух шкафах и работает только с принудительным охлаждением. Каждый выпрямитель снабжается довольно сложной защитой.
Управляемые выпрямители, собранные на тиристорах, позволили осуществить не только преобразование переменного тока в постоянный, но и плавное регулирование напряжения, подводимого к тяговым двигателям электровозов переменного тока, вместо ступенчатого.
Как же осуществляется плавное регулирование? В выпрямителе, собранном на тиристорах VS по схеме моста (рис. 64, а), можно изменять угол а их включения, т. е. подавать в соответствующие моменты управляющие импульсы тока Iу (см. рис. 60).
Рис. 64. Принципиальная схема плавного регулирования напряжения,
подводимого к тяговым двигателям (а), и кривые напряжения при глубоком регулировании
При этом можно регулировать среднее значение напряжения Ucp от нуля при а = 180° до максимального возможного при а = 0° (рис. 64, б). Последнее соответствует среднему выпрямленному напряжению в неуправляемых выпрямителях (см. рис. 62, в).
Как видно из рис. 64, при таком регулировании, называемом глубоким, возникают большие пульсации напряжения и выпрямленного тока. Это значительно осложняет работу тяговых двигателей. Для устранения таких пульсаций на электровозе ВЛ80р осуществляется более плавное регулирование напряжения. Здесь тяговый трансформатор имеет три секции вторичной обмотки с напряжениями Um/4, Um/4 и Um/2. Выпрямитель выполнен по моствой схеме (рис. 65, а), имеет восемь плеч.
Рис.65. Упрощенная силовая схема электровоза ВЛ80р (а)
и кривые напряжения при зонном регулировании
в пределах секции вторичной обмотки трансформатора (б)
Предусмотрено четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения, в каждой из которых осуществляется плавное регулирование в пределах четверти амплитуды полного напряжения. Переключение с одной секции на другую тиристоры позволяют осуществлять без тока и необходимость в контакторах с дугогашением отпадает.
Напряжения, возникающие в процессе его плавного изменения в пределах регулируемой секции, складываются с напряжением, индуцируемым в секциях, где уже был завершен этот процесс (рис. 65, б). Поэтому здесь только в первой секции вторичной обмотки (когда на двигатели подается небольшое напряжение) осуществляется глубокое регулирование.
Выпрямительно-инверторные преобразователи (ВИП)
Опубликовано 30.08.2019 · Обновлено 07.04.2021
Многих интересует серьезный вопрос – что такое выпрямительные установки и выпрямительно-инверторные преобразователи?
Данная тема напрямую касается электровозов и электропоездов переменного тока. На данных локомотивах и электропоездах применяют в основном тяговые электродвигатели постоянного (пульсирующего) тока. Проводится большая работа по установке на электровозы переменного тока тяговых электродвигателей переменного тока (асинхронных), но пока их внедрение носит экспериментальный характер. Высокое напряжение в контактной сети переменного тока (25000 Вольт) и значительно меньшее напряжение на коллекторах тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока требует необходимости использования тяговых трансформаторов для понижения напряжения и преобразователей (диодов) для выпрямления переменного тока в постоянный.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-1024×768.jpg» width=»1024″ height=»768″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-1024×768.jpg» alt=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″class=»wp-image-2224″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1947-768×576.jpg 768w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″ /> Выпрямительно-инверторные преобразователи
Появление таких преобразователей – кремниевых вентилей: диодов, стало крупным научно-техническим достижением в электровозостроении. Началось их внедрение на электровозах и электропоездах. Это всем известные электровозы серии ВЛ60 всех индексов и ВЛ80 С и Т, кроме электровоза ВЛ80Р, о нем расскажу позже. Диоды, конструктивные названия которых – вентиль лавинный (ВЛ), размещаются в выпрямительных установках (ВУ), по одной установке на тележку. После выпрямления в выпрямительных установках ток, для сглаживания пульсаций, проходит через сглаживающий реактор и далее в цепь тягового электродвигателя.
Электровоз ВЛ80с с наливняком
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-300×208.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-1024×710.jpg» width=»1024″ height=»710″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-1024×710.jpg» alt=»Электровоз ВЛ80с с наливняком | Электровоз ВЛ80с с наливняком | Движение24″class=»wp-image-2225″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-300×208.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159-768×532.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/img_3159.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Электровоз ВЛ80с с наливняком | Движение24″ /> Электровоз ВЛ80с с наливняком
На электровозах ВЛ80 С и Т применяется реостатное торможение (торможение электродвигателями), которое требует установки еще одной выпрямительной установки возбуждения (ВУВ), которая предназначена для выпрямления и плавного регулирования тока в обмотках возбуждения ТЭД. Такое прогрессивное электрическое торможение как рекуперативное (возврат электроэнергии, вырабатываемой ТЭД в генераторном режиме в контактную сеть) для электровозов переменного тока данных конструкций было невыполнимо, до появления выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП), но об этом позже.
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-300×157.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-1024×536.jpg» width=»1024″ height=»536″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-1024×536.jpg» alt=»Контроллер машиниста | Контроллер машиниста | Движение24″class=»wp-image-2226″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-300×157.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240-768×402.jpg 768w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/og_og_1476960937221612240.jpg 1200w» data-sizes=»(max-width: 1024px) 100vw, 1024px» /title=»Контроллер машиниста | Движение24″ /> Контроллер машиниста
Регулирование напряжения тяговых электродвигателей происходит на стороне низшего напряжения тягового трансформатора, путем подключения его обмоток. Для этого на электровозах установлен электрический контроллер главный – ЭКГ8Ж. Данный контроллер имеет 30 кулачковых контакторов без дугогашения и четыре с дугогашением (А, Б, В и Г), кулачковые валы и электродвигатель (сервомотор). Во избежание короткого замыкания при переключении секций устанавливается переходной реактор. Управление осуществляется контроллером машиниста, имеющим 33 позиции, причем продолжительное время можно работать на выделенных (ходовых) позициях, каждая пятая, остальные являются переходными.
Вспоминаю, в целом ЭКГ работают устойчиво, но иногда могут случаться и поломки – сгорает предохранитель сервомотора или частенько валы ЭКГ «загоняет за ноль» и приходится останавливаться, опускать токоприемники, проходить в высоковольтную камеру (ВВК) и вручную скручивать валы ЭКГ специальным ключом, ориентируясь по специальным рискам на лимбе вала. Но вот совершенно новые возможности для электровозов переменного тока открылись после появления управляемых кремниевых вентилей – тиристоров (управляемых диодов).
» data-medium-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536-300×225.jpg» data-large-file=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg» width=»710″ height=»532″ gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7″ data-src=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg» alt=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″class=»wp-image-2227″ data-srcset=»https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536-300×225.jpg 300w, https://cdn.dvizhenie24.ru/2019/08/1426537536.jpg 710w» data-sizes=»(max-width: 710px) 100vw, 710px» /title=»Выпрямительно-инверторные преобразователи | Движение24″ /> Тиристоры
Эти уникальные полупроводниковые приборы, устанавливаемые в мостовые схемы, могут не только выпрямлять переменный ток, но и регулировать его величину, а также постоянный ток изменять в переменный (инвертирование). Они позволили придать совершенно новые качественные характеристики локомотивам: во-первых, обеспечить плавное регулирование напряжение на ТЭД в режиме тяги; во-вторых, осуществить ранее невозможное для электровозов переменного тока — рекуперативное торможение. Принцип прост – секции трансформатора подключаются к плечам ВИП, через которые регулируется напряжение. Такая схема предусматривает четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения при трех секциях вторичной обмотки тягового трансформатора. Ну а когда применяется электрическое торможение, то постоянный ток, вырабатываемый ТЭД в генераторном режиме, проходит через ВИП процесс инвертирования – преобразования его из постоянного в переменный, что и позволяет возвращать его в контактную сеть уже переменным.
Управляются эти процессы контроллером машиниста (небольшой штурвал или рукоятка на пульте) посредством цепей управления, контроллер имеет четыре зоны регулирования и просто плавно переводится из одной зоны в другую или обратно. Такая бесконтактная, безынерционная электронная система управления электровозом позволяет удобно и быстро изменять режимы движения. Так, переключение до полного напряжения на коллекторах ТЭД, переход на режим выбега и повторный выход на самое высокое напряжение занимает всего 1-2 секунды. Переход из режима тяги в режим рекуперативного торможения и обратно занимает около 9 секунд. И никакого ЭКГ не надо! Все происходит быстро, четко и плавно!
Конструктивно выпрямительно-инверторный преобразователь состоит из блока силового (БС) и блока питания (БП). Остовом для расположения всех элементов является сварной каркас из профильной и листовой стали. Части в каркасе расположены с учетом удобства выполнения монтажа и обслуживания при эксплуатации и теплового режима элементов. В принципе все. Когда мы пересели на электровозы ВЛ65 и ЭП1, 1М в пассажирском движении и 3ЭС5К «Ермак» в грузовом, то сразу почувствовали в полной мере все преимущества данной схемы! Как говорится – небо и земля! Необходимо отметить, что внедрение выпрямительно-инверторных преобразователей дело очень современное. Нет. В 1976 году в СССР началось серийное производство грузовых двухсекционных электровозов переменного тока оснащенных выпрямительно-инверторными преобразователями – ВЛ80Р, а в 1983 году электровозов ВЛ85, ну а затем начался серийный выпуск пассажирских электровозов — ВЛ65, ЭП1, ЭП1М, ЭП1П и грузовых – 2ЭС5К, 3ЭС5К и 4ЭС5К, объединенных одним названием «Ермак». Все они оборудованы рекуперативным торможением. Вот такой революционный прорыв в электровозостроении совершил полупроводниковый прибор – тиристор!
Принцип работы выпрямителя
Маломощные выпрямители
Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт) и выпрямители большой мощности (киловатты и больше).
Принцип работы выпрямителя
Структурная схема выпрямителя:
Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя).
Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.
Нулевая схема выпрямления
Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на нулевой схеме.
Нулевая схема выглядит так:
Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.
Как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке? Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток.
Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.
Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.
Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:
Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны.
Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.
Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:
Выпрямительный мост или схема Гретца
Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):
В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:
Мостовая схема имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор.
Эта схема появилась исторически раньше нулевой, однако распространения не получила, потому что имела четыре диода вместо двух. А при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение.
Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую.
Основные соотношения для выпрямителя
Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и
. Поскольку Ud считаем заданным, то
Амплитудное значение вторичного напряжения
Из предыдущего выражения имеем:
Коэффициент трансформации трансформатора
Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:
Действующее значение тока вторичной обмотки
Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть
Действующее значение тока первичной обмотки
Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :
Мощность трансформатора
Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:
Пульсация выпрямленного напряжения
Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:
Где: l – полупериод π/m;
Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:
Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:
Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.
Средний ток диодов
Наибольшее обратное напряжение на диоде
В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:
Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы
Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока.
Описание
Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.
Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.
Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.
Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V P.
Принцип работы
Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.
Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.
Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.
Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 o, как показано на рисунке.
Полуволновое выпрямление
Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.
Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.
Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.
Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.
Среднее значение синусоиды
Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:
Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:
V AVE = 0,318 * V MAX
I AVE = 0,318 * I MAX
Обратите внимание, что максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:
V AVE = 0,45 * V RMS
I AVE = 0,45 * I RMS
Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A MAX или 0,45 * A RMS, как показано.
Полноволновое выпрямление
Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выход, т.к. он состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.
Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока.
Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.
Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V IN и V OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.
Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V IN диоды D 1 и D 4 смещены в прямом направлении, а диоды D 2 и D 3 — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 1 — A — R L — B — D 4 и возвращается к источнику питания.
Во время отрицательного полупериода V IN диоды D 3 и D 2 смещены в прямом направлении, а диоды D 4 и D 1 — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 3 — A — R L — B — D 2 и возвращается к источнику питания.
В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.
Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.
Форма волны на выходе выпрямителя
Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением.
Однако двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.
Среднее значение двухполупериодного выпрямителя
Для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:
Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:
V AVE = 0,637 * V MAX
I AVE = 0,637 * I MAX
Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:
V AVE = 0,9 * V RMS
I AVE = 0,9 * I RMS
Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A MAX или 0,9 * A RMS.
Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель
Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.
Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.
Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.
В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.
Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.
Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.
Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.
Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:
Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.
Полностью управляемый мостовой выпрямитель
Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.
Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).
Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:
Резюме однофазного выпрямления
Однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.
Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.
Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.
Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.