Использование: в электротехнике, для преобразования переменного напряжения электросети 220 B в напряжение для питания маломощных потребителей в единицы или доли Ватта. Сущность: тиристорный преобразователь состоит из мостового диодного выпрямителя, подключенного к источнику переменного напряжения через конденсатор, к выходу диодного моста подключены включенные последовательно первичная обмотка трансформатора и тиристор со схемой управления. Выходное напряжение может плавно регулироваться от нуле до номинала путем изменения угла включения тиристора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для получения от сети 220 В напряжение необходимой величины для питания маломощных потребителей (около 1 Вт). Обычные трансформаторы на 50 Гц в этом случае должны иметь много витков в первичной обмотке (до 10000) из очень тонкого провода (до 0,02 мм). Изготовление таких трансформаторов технически сложно и требует дефицитных материалов. Поэтому широко применяются полупроводниковые преобразователи, которые сначала выпрямляют сетевое напряжение, а затем преобразуют его в переменное повышенной частоты. В этом случае обмотки трансформатора имеют мало витков, а его сердечник может быть меньше по сечению. Известны также схемы преобразователей с тиристорами вместо транзисторов. Тиристор открывается в определенный момент синусоиды и через трансформатор проходит высокочастотный импульс, который и создает напряжение на вторичной обмотке. Такой преобразователь описан, например, в книге Б. С.Иванова "Электроника в самоделках", Москва, ДОСААФ, 1981 г. стр. 225 и 226. Недостатком схемы Иванова является малый КПД из-за того, что через открытый тиристор продолжает протекать ток до окончания полуволны синусоиды и закрывания тиристора. Цикл работы схемы повторяется с частотой сетевого напряжения. Для ограничения тока через открытый тиристор служит специальный резистор, который нагревается и рассеивает значительную мощность. Целью настоящего изобретения является уменьшение тока через открытый тиристор при сохранении резкого перепада напряжения в момент открывания тиристора. Схема позволяет регулировать в некоторых пределах выходное напряжение с помощью переменного резистора в цепи управляющего электрода тиристора. Небольшое усложнение предлагаемой схемы значительно расширяет диапазон регулирования путем более устойчивого запуска тиристора в момент включения преобразователя. Указанная выше цель достигается включением преобразователя в сеть через конденсатор и диодный мост, который позволяет подать на тиристор двухполупериодное выпрямленное напряжение. Устойчивый запуск тиристора в момент включения достигается присоединением к управляющему электроду тиристора цепочки из диода и конденсатора. На фиг. 1 изображена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 изображена осциллограмма напряжения в точке "А"; на фиг. 3 изображена схема преобразователя с устойчивым запуском. Предлагаемый преобразователь состоит (фиг. 1) из трансформатора 1, тиристора 2, переменного резистора 3, постоянного резистора 4, диодного моста 5 и конденсатора 6. Сеть 220В подключена к диодному мосту 5 через конденсатор 6. Первичная обмотка трансформатора 1 одним концом подключается к положительному выводу диодного моста, а другим через тиристор 2 к отрицательному выводу. Управляющий электрод тиристора через резисторы 4 и 5 подключен к положительному выводу моста. Работает схема следующим образом: переменное сетевое напряжение через конденсатор 6 поступает на диодный мост 5. Двухполупериодное выпрямленное напряжение подается на трансформатор и тиристор. Как показано на фиг. 2, в момент времени T= 0 начинается возрастание напряжения в точке "А". Но ток через тиристор остается равным нулю. В момент времени T1 в соответствии с величиной резисторов 3 и 4 открывается тиристор и через трансформатор течет ток определенной величины, но в следующий момент напряжение на выходе диодного моста резко падает из-за того, что появляется ток через трансформатор и тиристор. Так как трансформатор импульсный, то его сопротивление мало. Сопротивление тиристора в открытом состоянии также мало. Поэтому подключившаяся к диодному мосту цепь трансформатор тиристор сильно подсаживает напряжение диодного моста. На входе моста напряжение также подсаживается, а на конденсаторе 6 резко увеличивается. В результате через обмотку трансформатора каждый полупериод протекает короткий импульс тока и преобразуется в импульс на вторичной обмотке. В отличие от схемы Иванова, в оставшееся время после импульса до конца полупериода, ток через тиристор сильно уменьшается и тем уменьшает потери и увеличивает КПД преобразователя. Включение конденсатора последовательно с нагрузкой в цепи переменного тока известно. Но работа такого конденсатора в предлагаемом преобразователе принципиально другая. Различие в том, что в известных схемах после диодного моста пульсирующее переменное напряжение сглаживается на конденсаторах фильтра и через последовательный конденсатор течет синусоидальный ток, а не импульсный, как в предлагаемом преобразователе. Конденсатор 6 служит для пропускания короткого импульса тока в момент включения тиристора и резкого уменьшения тока в оставшуюся часть полупериода. Для ограничения тока через управляющий электрод тиристора при регулировании момента включения переменным резистором 3 служит резистор 4. Как показали испытания предлагаемого преобразователя, он работает на возрастающей половине каждого полупериода от 0 до 90 градусов, что объясняется дальнейшим падением управляющего тока. Если тиристор не открылся при 90 градусах, то на спаде синусоиды в последующие 90 градусов он тем более не откроется. В области, приближающейся к вершине полупериода, тиристор не всегда открывается, хотя при меньшем угле отсечки запускается устойчиво. Для гарантированного включения преобразователя в работу служит показанная на фиг. 3 цепочка из диода 7 и конденсатора 8. В момент подключения преобразователя к сети тиристор запускается через эту цепочку, но конденсатор 8 быстро заряжается, ток через него уменьшается и работа тиристора определяется в дальнейшем величиной резисторов 3 и 4. Изготовленная модель преобразователя с повышающим трансформатором для маломощного источника высокого напряжения позволяет плавно менять выходное напряжение от нуля до 10 киловольт. При этом на осциллограмме не заметно неустойчивости или дребезга при срабатывании тиристора.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Преобразователь переменного напряжения, в котором к источнику переменного напряжения подключены последовательно включенные первичная обмотка трансформатора и тиристор, к управляющему электроду которого подключена схема управления фазой его переключения, выход вторичной обмотки трансформатора является выходом преобразователя, отличающийся тем, что он подключен к дополнительно введенному мостовому диодному выпрямителю, подключенному к источнику через конденсатор. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между одним из выводов диодного моста и управляющим диодом тиристора включен конденсатор.

Регулировать значение подводимого к двигателю напряжения можно за счет включения в цепь статора дополнительных элементов (резисторов, дросселей насыщения) или с помощью тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Использование ТРН по сравнению с другими способами регулирования напряжения дает ряд преимуществ: электроприводам:

· повышает коэффициент полезного действия (КПД);

· осуществляет бесступенчатое регулирование;

· понижает инерционность;

· уменьшает массо-габаритные показатели.

Существует большое разнообразие схем (рис. 1.1) включения силовых вентилей (тиристоров, диодов), позволяющих осуществить бесконтактную коммутацию статорных цепей, асинхронных двигателей и регулировать уровень подводимого напряжения . В приведенных схемах статорные обмотки соединены как в звезду, так и треугольник.

Тиристорные регуляторы напряжения выполняют по симметричным и несимметричным схемам. В симметричных схемах (рис. 1.1 а, б, г, д) коммутирующий элемент состоит из двух встречно-параллельных тиристоров в каждой фазе, при этом управляющие импульсы подаются на тот тиристор, к аноду которого в данный момент времени приложен положительный потенциал сетевого напряжения. В несимметричных схемах (см. рис. 1.1, в) в каждой фазе коммутирующий элемент представлен встречно-

параллельно включенными тиристором и диодом. Наличие диода в коммутирующем элементе упрощает схему управления ТРН, повышает надежность, но несколько снижает диапазон регулирования выходного напряжения.

Во всех приведенных схемах регулирование выходного напряжения достигается за счёт изменения угла сдвига отпирающих импульсов тиристоров с помощью системы импульсно-фазового управления (СИФУ).

Задача точного определения напряжения, подводимого к статору двигателя при фазовом управлении, достаточно сложна, так как её решение связано с учётом взаимосвязанных электромагнитных процессов, происходящих в цепях ротора и статора. Поэтому точное математическое описание электромагнитных процессов используется при углубленных исследованиях электропривода с ТРН. Для приближенных инженерных расчетов асинхронный двигатель может быть представлен в виде трехфазной активно-индуктивной нагрузки, параметры которой определяются из схемы замещения двигателя, Т-образной (рис.1.2, а) и Г-образной (рис. 1.2, б).

Работу ТРН на активно-индуктивную нагрузку удобно рассмотреть для случая симметричной схемы. Если симметричная активно-индуктивная нагрузка включена в звезду по нулевой схеме, то ток в каждой фазе не зависит от тока других фаз.

В схеме включения одной фазы (рис.1.3, а) в каждый момент времени значение действующего напряжения сети уравновешивается падением напряжения на вентилях и на элементах RL-цепи:

, (1.1)

где – падение напряжения на вентиле; i – ток нагрузки; – соответственно, активное сопротивление и индуктивность двигателя; – амплитуда фазного напряжения.

При закрытых тиристорах падение напряжения на вентиле равно:

. (1.2)

При открытом тиристоре, например, VS1 в предположении, что вентили идеальные (прямое сопротивление равно 0), в положительный полупериод напряжение сети можно записать:

. (1.3)

Решение уравнения (1.3) относительно тока нагрузки (i) имеет две составляющие: принужденную (i пр) и свободную (i c в):

i = i пр + i c в. (1.4)

Принужденная составляющая определяется фазным напряжением и сопротивле-нием нагрузки:

Src=http://electrono.ru/wp-content/image_post/sistupravlelpriv/pic3_9.gif> , (1.5)

где – полное сопротивление цепи нагрузки (двигателя); – угол сдвига между током и напряжением.

Свободная составляющая тока определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки ():

, (1.6)

где t вкл – момент включения тиристора.

Показатель функции в выражении (1.6) можно представить в виде:

, (1.7)

где α = ω t вкл – угол открывания тиристора.

Подставляя в выражение (1.4) значение свободной составляющей тока из выражения (1.6) и принужденной из выражения (1.5) получим:

. (1.8)

Значение коэффициента A можно найти из условия, что в момент срабатывания тиристора (w t = a) ток в нагрузке скачком измениться не может (i = 0):

(1.9)

Окончательно уравнение для тока и напряжения нагрузки будет иметь вид:

U = U m ×sin(w×t) при a £ w×t £ a + l;

I = 0 или U = 0 при a + l – p < w×t < a.

Угол проводимости (l) зависит от a и j и может быть определён из уравнения, которое получается подстановкой в выражение тока (i) значения угла w t = a + j:

sin(a+l-j) – sin(a -j)× e - l / tg = 0. (1.11)

Зависимость l от a и j может быть найдена с помощью ЭВМ.

Аналогичные выражения можно получить при анализе процессов в нагрузке при открывании тиристора VS2 (a vs2 = p + a vs1).

Графики изменения токов и напряжений при коммутации RL-нагрузки показаны на рис.1.3, б. Графики построены для случая, когда угол отпирания тиристора VS1 превышает угол сдвига (j) между током и напряжением. Угол a = j является минимальным углом открывания тиристоров. Действительно, если a < j, то угол проводимости каждого тиристора должен превышать половину периода l > p. При этом на некоторых отрезках времени оба тиристора должны проводить ток одновременно, что невозможно, так как падение напряжения на проводящем вентиле создает обратную полярность напряжения на закрытом вентиле.

Максимальный угол отпирания тиристоров для рассматриваемой схемы (см. рис.1.1, а) a = p. При изменении угла регулирования в пределах j £ a £ p к нагрузке приложено несинусоидальное напряжение, и протекает прерывистый ток. Гармонический состав токов и напряжений на нагрузке зависит от схемы включения ТРН.

Характеристики ТРН рассматриваются, в виде семейства характеристик U трн =f(a,j) . Обычно выходное напряжение ТРН представляют только его первой

гармоникой, так как другие гармоники (высшие нечётные) оказывают незначительное влияние на момент двигателя.

Для управляемого электропривода целесообразно построить семейство характеристик управления:

U 1 * = U 1 /U ном = f(a)

при фиксированных значениях угла нагрузки j = const . На рис.1.4. приведены регулировочные характеристики ТРН для двух вариантов схем построения преобразователя: симметричной (см. рис.1.1, б) и несимметричной (см. рис.1.1, в).

Система импульсно-фазового управления принципиально не отличается от СИФУ тиристорного преобразователя постоянного тока. Обычно она строится по вертикальному принципу, при этом на неё накладываются требования по ширине отпирающих импульсов. С учетом того, что значения угла нагрузки для асинхронных двигателей

находятся в пределах от j min ~20° до j max ~ 90°, ширина отпирающих импульсов должна быть больше:

j max – (a min = j min) &s
up3; 70°.

Одноканальная асинхронная СИФУ, используемая в промышленных тиристорных регуляторах напряжения типа тиристорные станции управления (ТСУ) СИФУ – аналогово-цифровые с вертикальным принципом управления (рис. 1.5), состоит из пяти основных узлов: аналогово-цифрового преобразователя, генератора, счетчика, дешифратора и шести схем «ИЛИ». По каждому синхроимпульсу «Синх.» в соответствии с сигналом управления аналогово-цифровой преобразователь вырабатывает импульс, который устанавливает счётчик в нулевое состояние, при этом запускается генератор, и счётчик начинает подсчитывать импульсы, вырабатываемые генератором. В соответствии с содержанием счётчика выдаётся сигнал с соответствующего выхода дешифратора (длительность 60º).

При равенстве пяти содержимого счетчика на шестом выходе дешифратора появляется сигнал, блокирующий работу генератора. Генератор будет находиться в заторможенном состоянии до появления следующего импульса с аналогово-цифрового преобразователя.

Схемы «ИЛИ» производят попарно логическое суммирование выходных импульсов дешифратора, обеспечивая расширение выходных отпирающих импульсов (+А, -А, +В, -В, +С, -С) до 120º.

Аналогово-импульсный преобразователь выполнен на элементах А1, А2, D1, интегрирующей цепи С1R13 и дифференцирующей цепи C2R15. Преобразователь за период напряжения сети вырабатывает один кратковременный импульс, сдвинутый от синхроимпульса на время (угол), соответствующее значениям сигнала управления и сигнала обратной связи. Усилитель А2 выполняет функцию компаратора. Генератор выполнен на элементе D6 (микросхема К155АГ3), счётчик D5 (микросхема К155ИЕ5) своим входом соединён с выходом генератора, а выходом – с дешифратором D7 (микросхемой К155ИД4).

В зависимости от входной информации с соответствующего выхода дешифратора выдается сигнал нулевого уровня.

По переднему фронту каждого синхроимпульса «Синх.» дифференцирующей цепочкой С7R5 вырабатывается импульс, по которому элементы D1.3, D1.4 кратковременно открываются, и происходит разряд конденсатора интегрирующей цепи C1R13. По окончании этого импульса через R13 начинается заряд конденсатора С1.

Потенциал на инверсном входе усилителя А2 является опорным сигналом и соответствует значению напряжения сигнала управления, поступающего на вход СИФУ (U’ упр = U упр – U ос). Когда потенциал пилообразного напряжения на конденсаторе С1 (на прямом входе усилителя А2) начнёт превышать потенциал входа 4 этого усилителя, на выходе компаратора появляется сигнал положительной полярности, а с выхода дифференцирующей цепи C2R15 выдаётся кратковременный импульс единичного уровня, по которому счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние (конденсатор С1 продолжает заряжаться до прихода следующего синхроимпульса).

При сбросе счётчика D5 в нулевое состояние на шестом выходе дешифратора D7 устанавливается единичный уровень. Этот сигнал подаётся на вход заторможенного генератора D6 через элементы D2.1, D2.2. При этом обеспечиваются условия для самозапуска генератора, и он начинает генерировать кратковременные импульсы нулевого уровня.

Эти импульсы подсчитываются счётчиком D5, по выходной информации которого на соответствующем выходе дешифратора D7 появляется сигнал нулевого уровня. Для большей надёжности запуска генератора через элемент D2.3 подаётся импульс с дифференцирующей цепочки C2R15. Когда генератор выработает пять импульсов, сигналом с шестого выхода дешифратора, он затормаживается. По переднему фронту очередного синхроимпульса счётчик D5 сбрасывается в нулевое состояние, на выходе 6 элемента D7 устанавливается сигнал единичного уровня, и генератор начинает выработку очередной серии импульсов. Длительность импульсов определяется цепочкой C3R16, а период – цепочкой С6R19.

Каждому уровню сигнала управления соответствует определённое значение напряжения на выходе усилителя А1, а следовательно, и фаза выходного сигнала компаратора А2. Таким образом, с изменением уровня сигнала управления изменяется фаза выходных импульсов. Диапазон регулирования угла открытия тиристоров от 0º до 240º. Ключи «Работа» и «Торможение» обеспечивают подключение входа усилителя А1 к источнику управляющего сигнала или к источнику, определяющему интенсивность торможения.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ряде случаев в нагрузке, питаемой переменным током от первичной сети, требуется осуществить плавное или ступен­чатое изменение мощности без изменения частоты. Для этой цели наиболее подходят тиристорные преобразователи, основанные на применении коммутатора, состоящего из двух встречно-параллельно включенных обычных тиристоров (рис. 1, а), симистора (рис. 1, 6) или схем, включающих тиристоры и диоды (рис. 1, в, г). Естествен­но, что регулирование мощности в нагрузке производится только в сторону уменьшения от номинальной до нуля.

Рис. 1. Схема преобразователей переменного напряжения

Первая схема обеспечивает протекание тока в нагрузке в одну сто­рону при отпирании одного тиристора, например VD 1, а в другую - при отпирании VD 2. Во второй схеме роль двух тиристоров играет один симистор, способный проводить ток в обе стороны, но имеющий не­сколько более сложную схему управления, в третьей схеме могут ис­пользоваться тиристоры, не рассчитанные на работу под обратным напряжением, а в четвертой предусмотрен только один тиристор, но включаемый всегда последовательно с двумя диодами. Эта схема мо­жет работать только на активную нагрузку.

В зависимости от способа управления таким преобразователем и от способа формирования управляющих импульсов для отпирания тиристоров возможны различные способы регулирования: фазовый, ступенчатый, комбинированный фазо-ступенчатый, широтно-импульсный и некоторые другие.

Самым простым и создающим минимум помех является такой метод регулирования, когда тиристоры пропускают ток в течение не­скольких периодов питающего напряжения, затем несколько периодов заперты и т. д. (рис. 2). При этом средние значения тока и мощности в нагрузке определяются относительной длительностью работы ти­ристоров за некоторый промежуток времени, который может быть установлен постоянным и равным нескольким (2 ... 10) периодам питающей сети. Тогда

, где

(

- период).

Рис. 2. Диаграммы работы простей­шего преобразователя переменного напряжения - НПЧ

Такая схема может играть роль простейшего преобразователя частоты, но в этом случае необходимо сначала пропускать в нагрузку несколько полуволн положительного напряжения, затем несколько полуволн отрицательного. Если не регулировать работу тиристоров в интервале проводимости (

), то в нагрузке будут формироваться прямоугольные импульсы напряжения (по среднему значению). Если изменять угол, то можно менять или среднее значение напряжения или даже его форму. На рис. 3 показаны три варианта работы схемы:

без регулирования (

); по­лучается просто преобразователь частоты

,зависит от числа полупериодов, в течение которых работают по очереди тиристоры (рис. 3, а);

Рис. 3. Варианты работы схемы простейшего преобразователя частоты

с регулируемым

, но с постоянным его значением в течение ряда периодов (амплитуда меняется) (рис. 3, б);

угол

меняется в течение периода формируемой частоты; если закон изменения, то на нагрузке формируется квазисинусоидальное напряжение с частотой (рис. 3, в).

В преобразователях переменного напряжения при использовании фазового регулирования (при этом меняется длительность открытого состояния каждого тиристора в течение соответствующего полупе­риода питающего напряжения) можно получить процессы с отстающим (рис. 4, а), опережающим (рис. 4, б) и двухсторонним (рис. 4, в) углами регулирования.

Рис. 4. Диаграммы работы простейшего ППН с различ­ными методами регулирования

Как видно из диаграмм, работа схемы напоминает работу управ­ляемого выпрямителя, только здесь токи в нагрузке протекают в обе стороны.

При регулировании преобразователя с отстающим углом

за­пирание работающего тиристора происходит естественным путем после перехода кривой напряжения через нуль, а при опережающем или двухстороннем регулировании угла

работающий тиристор необхо­димо выключать принудительно, что требует использования или коммутирующих устройств, или двухоперационных тиристоров.

Регулировочная характеристика преобразователя

при активной нагрузке для фазового регулирования с отстающим илиопережающим углами

может быть получена из соотношений

;

,

или в относительных единицах

,

где U - действующее значение переменного напряжения на входе схемы, при



.

Для двухстороннего фазового регулирования

Регулировочные характеристики для этих случаев приведены на рис. 5: 1 - для первых двух случаев, 2 - для последнего.

Рис. 5. Регулировочные характеристи­ки ППН для разной нагрузки и разных ме­тодов регулирования

Если нагрузка преобразователя активно-индуктивная, то форма тока не повторяет форму напряжения, индуктивность нагрузки пре­пятствует резким изменениям тока и затягивает длительность проте­кания тока через тиристор. Временная диаграмма напряжений и токов в преобразователе для случая

(

) показана на рис. 6, а, для

- на рис. 6,б.

Рис. 6. Диаграммы работы ППН при активно-индуктивной нагрузке

Как видно из диаграммы, в момент

управляющий импульс подается на тиристор VD 1, он открывается, к нагрузке подается на­пряжение, соответствующее этому моменту (уже не равное нулю, если только

), и начинает нарастать ток нагрузки. На интервале до момента

мощность из сети поступает в нагрузку, энергия частич­но запасается в индуктивности. В момент

напряжение меняет знак, но ток продолжает протекать в прежнем направлении,VD 1 остается открытым, следовательно, идет отдача запасенной индуктив­ностью энергии в сеть (угол ). В момент

этот процесс закан­чивается и ток становится рав­ным нулю,VD 1 запирается. До момента отпирания VD 2 имеет место бестоковая пауза, т. е. режим прерывистого тока. В момент

отпираетсяVD 2 и процесс повторяется, только ток через нагрузку протекает в обратном направлении. При увеличении угла регулирования

интервал, в те­чение которого энергия по­дается к нагрузке, будет уменьшаться, и напряжение на ней уменьшается.

Так как бестоковый ин­тервал в кривой выходного напряжения сокращается до значения

, то

.

Ток в нагрузке на интервале проводимости каждого тиристора определяется из следующей формулы:

,

где - угол сдвига тока по отношению к напряжению,

.

При чисто активной нагрузке (L н = 0,

,

это соотношение приобретает вид

.

т. е. кривая тока определяется синусоидой напряжения питания.

Если в формулу для i н при RL -нагрузке подставить

, соответствующееi н = 0, получается уравнение

из которого можно найти значение угла .

При уменьшении угла регулирования

интервал проводимости тиристоров возрастает, и при его критическом значении

исче­зает бестоковая пауза, т. е. токi н спадает до нуля к моменту

. Иначе говоря, момент запирания одного тиристора совпадает с момен­том отпирания второго, длительность проводящего состояния каждого из них становится равной 180°. Ток нагрузки становится непрерывным и синусоидальным, сдвинутым по отношению к напряжению на угол

. При этом

а ток можно определить из выражения

Для обеспечения указанного режима длительность сигнала управ­ления на каждый тиристор должна быть достаточно большой (см. рис. 6), но не меньше , чтобы при малых

сохранить сигнал управления на открывающемся тиристоре до момента перехода тока через нуль. При дальнейшем изменении угла

от

до нуля характер работы преобразователя не изменяется, т. е. он становится неуправляе­мым, нагрузка постоянно связана с сетью.

Регулировочные характеристики преобразователя при различных вариантах его нагрузки приведены на рис. 5: кривая 3 - для RL - нагрузки, кривая 4 - для чисто индуктивной нагрузки.

При работе преобразователя на чисто активную нагрузку кривые тока, потребляемого от сети, и тока нагрузки i н совпадают по форме с кривой напряжения U н и при

отличаются по форме от сину­соиды. Поэтому для этих преобразователей, как и для выпрямителей, важное значение имеет коэффициент мощности

, гдеk - коэффициент искажения формы кривой тока. При использовании спо­соба регулирования, указанного на рис. 4, а, первая гармоника тока отстает от напряжения питания, при регулировании по схеме 4, б - опережает.

Не вдаваясь в подробности определения

иk , следует отме­тить, что окончательный результат приводит к выводу:

, т. е. в одиночных преобразователях переменного напряжения независимо от используемого метода фазового регулирования коэффициент ли­нейно зависит от относительного напряжения на нагрузке (кривая1, рис. 7). Если же нагрузку питать от двух параллельно работающих преобразователей, выполненных по схемам 4, а, б, тогда коэффи­циент может быть существенно выше (кривая2, рис. 7).

Рис. 7. График коэффициента мощности ППН

Схемы трехфазных преобразователей переменного напряжения с фазовым регулированием выполняют по аналогии с однофазными. Наиболее распространенные схемы таких преобразователей приведены на рис. 8, а их работу студенты могут проанализировать самостоятельно. Отметим только, что к схеме 8, а вывод нулевого про­вода может отсутствовать и один из тиристоров в каждой паре может быть заменен диодом, что недопустимо в однофазной схеме. Вместо пары тиристоров, включенных встречно-параллельно, с успехом мо­гут использоваться симисторы. На рис. 8, г приведена реверсивная схема регулирования асинхронного электродвигателя АД.

Рис. 8. Трехфазные ППН

В современной технике иногда возникает необходимость получать регулируемый переменный ток относительно высокого напряжения. Применение высоковольтных тиристоров с гальванически связанным с ними схемами управления (даже с импульсными трансформаторами) не всегда целесообразно. В этих случаях выгоднее использовать схему, приведенную на рис. 9: пре­образователь переменного напряжения включен в цепь первичной обмотки повышающего трансформатора, т. е. в сеть с относительно невысоким на­пряжением, а нагрузка - во вторичную обмотку этого же трансформатора. При этом может быть снижена стоимость силовых элементов и упрощены требо­вания к схеме управления. Иногда эта же схема применяется и при обратной ситуации - когда во вторич­ную цепь приходится включать параллельно большое количество вентилей на большой ток при низком напряжении.

Рис. 9. ППН для высоко­вольтной нагрузки

Еще один вариант применения преобразователей переменного напряжения показан на рис. 10. Как видно из схемы, вторичная обмот­ка трансформатора имеет дополнительный отвод (их может быть не­сколько), а нагрузка питается от двух групп преобразователей VD 1- VD 2, VD 3- VD 4, подключенных к выводам трансформатора. При так называемом ступенчатом регулировании работает либо одна (VD 1- VD 2), либо обе группы преобразователей, причем угол регулирования

. Если работаетVD 1- VD 2, то к нагрузке подводится переменное напряжение

. Если сигналы управления подаются и наVD 3- VD 4, то на нагрузке напряжение увеличивается до

, а тиристорыVD 1 и VD 2 не работают, так как находятся под обратным напряжением (

).

Рис. 10. Схема ступенчатого регу­лирования в ППН

Недостаток схемы - ступенчатый характер регулирования, до­стоинство - отсутствие искажений в кривой потребляемого тока и его фазового сдвига при чисто активной нагрузке.

Недостаток дискретного характера регулирования можно устра­нить (ценой ухудшения указанных выше качеств) фазовым регулиро­ванием сначала низшей, а затем и высшей групп тиристоров. Если, на­пример, не подавать управляющих сигналов на VD 3 и VD 4, а регули­ровать

дляVD 1 и VD 2, то напряжение на нагрузке можно плавно изменять от нуля до

. Затем, сохраняя

для этих тиристоров, изменять

дляVD 3 и VD 4, которые будут, открываясь в нужные моменты, шунтировать тиристор нижней группы и подавать к нагрузке регулируемое от

до

напряже­ние в функции своего угла регулирования. Нали­чиеVD 1 и VD 2 позволяет более плавно осущест­влять регулирование в первом диапазоне, чем при использовании только VD 3 и VD 4. Схемы с боль­шим количеством ступеней применения не нашли ввиду их сложности.

Принцип выпрямления переменного тока в постоянный можно рассмотреть на примере работы простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Однофазный однополупериодный выпрямитель:

а – принципиальная схема; б

В этой схеме входное напряжение и вх изменяется по синусоидальному закону с частотой 50 Гц . Ток в цепи нагрузки протекает только в положительный полупериод, когда точка а , к которой присоединен анод диода имеет положительный потенциал относительно точки b , к которой через нагрузку присоединен катод. В результате напряжение и вх оказывается приложенным к нагрузке R нагр , в которой начинает протекать ток нагрузки i нагр . При активной нагрузке (как это показано на рис. 1.21, б ) ток по фазе будет совпадать с напряжением, и диод будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение и вх не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды к диоду прикладывается все входное напряжение и вх , которое является для диода обратным, и поэтому он будет закрыт. При этом в нагрузке ток будет равен нулю. Таким образом, на резисторе нагрузки R нагр будет однополярное пульсирующее напряжение и d , среднее значение которого составит

, (1.52)

где , – амплитуда напряжения сети и его действующее значение.

Очевидным недостатком такой схемы выпрямления является большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

. (1.53)

Уменьшить пульсации возможно увеличением числа полуволн напряжения передаваемых в нагрузку за тот же промежуток времени, например применением трехфазной системы напряжений. На рис. 1.22 приведена схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. К сети трехфазного тока подключен трансформатор Т , вторичные обмотки которого соединены в звезду. Фазы а , b , с присоединяются к анодам трех вентилей. Катоды этих вентилей соединяются вместе и служат положительным полюсом для цепи нагрузки R нагр . Нулевая точка вторичной обмотки трансформатора является ее отрицательным полюсом.

Рис. 1.22. Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Форма выпрямленного напряжения приведена на рис. 1.22, б . Ток через каждый из диодов будет протекать только в течение того периода, когда напряжение в данной фазе больше чем в двух других фазах. Работающий диод прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, т.е. когда к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точки а , б , в , г , д на рис. 1.22, б ). Выпрямленный же ток проходит через нагрузку R нагр непрерывно. Среднее значение выпрямленного напряжения составляет

а коэффициент пульсаций

, (1.55)

где – число импульсов тока в нагрузке за время одного периода.

Ток в обмотке каждой фазы трансформатора имеет пульсирующий характер и по продолжительности составляет не более 120 электрических градусов. Повысить использование трансформатора возможно применением мостовой схемы выпрямления (рис. 1.23), в которой каждый из диодов работает в течение 1/3 периода, а через каждую фазу трансформатора ток проходит в течение 2/3 периода.

Рис. 1.23. Трехфазный мостовой выпрямитель:

а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

Выпрямитель состоит из двух групп диодов – катодной и анодной. Диоды катодной группы открываются в момент пересечения положительных участков синусоид (точки а , б , в , г , д на рис. 1.23, б ), а диоды анодной группы – в моменты пересечения отрицательных участков синусоид (точки к , л , м , н на рис. 1.23, б ).

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме выпрямления в любой момент времени проводят два диода – один из катодной, другой из анодной группы. При этом любой диод одной группы работает поочередно с двумя диодами другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки трансформатора. Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих диода выпрямительного моста, между которым действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение. Например, в интервале времени - ток проводят диоды и , в интервале времени - – диоды и , в интервале - – диоды и , и т.д. За период напряжения происходит шесть переключений диодов, в связи с чем такую схему выпрямления называют шестипульсной.

Среднее значение выпрямленного напряжения в такой схеме составляет

а коэффициент пульсаций

. (1.57)

Для регулирования скорости электродвигателя постоянного тока требуется изменение подводимого к нему напряжения. Эта задача может быть решена заменой в схемах выпрямления неуправляемых вентилей – диодов на управляемые вентили – тиристоры (рис. 1.24).

При использовании тиристоров появляется возможность открывать вентили не в точках естественной коммутации (а , б , в , г , д на рис. 1.24, б ), а в любой момент времени в интервале его проводимости. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени относительно указанных точек. Пусть, например, управляющие импульсы подаются на тиристоры в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (угол ). В этом случае (см. рис. 1.24, в ) в нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения в виде четверти синусоиды.

Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления вызывает соответствующее уменьшение (рис. 1.24, б ) или увеличение (рис. 1.24, г ) продолжительности импульсов выпрямленного напряжения. При угле кривая выпрямленного напряжения будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 1.22, б ).

Рис. 1.24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:

а – принципиальная схема; б , в , г – диаграммы напряжений

при различных углах управления

На рис. 1.25 приведены регулировочная характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1 ) и трехфазной мостовой (кривая 2 ) схем выпрямления. Эта характеристика показывает зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла регулирования .

Важными характеристиками работы преобразователей являются их к.п.д. и коэффициент мощности. Потери в преобразователе складываются из потерь в вентилях и в трансформаторе. К.п.д. современных промышленных преобразователей достигает 95 %.

Для тиристорных преобразователей характерным является такой режим, когда потребляемый ими из сети ток несинусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды питающего напряжения. Наличие такого сдвига приводит к потреблению из сети не только активной мощности, но и реактивной, не совершающей полезной работы. Это явление характеризуется коэффициентом мощности, значение которого равно отношению активной мощности Р , потребляемой преобразователем, к полной мощности S

. (1.58)

Величина коэффициента мощности для тиристорного преобразователя с трехфазной мостовой схемой выпрямления зависит от угла управления и составляет от 0,95…1 при до 0,3…0,45 при .