Учебное пособие 800603

Это уравнение действительно в пределах углов от 0 до Вычисленные на основе (1.66) относительное значение выпрямлен-

ного тока в долях от максимального

в функции времени иллюстрируют кривые на рис.1.12.для разных

том индуктивного сопротивления Xd= Ld)пульсации в кривой тока заметно уменьшаются. Это говорит о том, что катодная индуктивность может быть успешно использована в схемах выпрямления с m=2 и выше в качестве сглаживающего звена-фильтра.

Рис. 1.12. Кривые выпрямленного тока в двухполупериодной схеме, работающей на активно-индуктивную нагрузку при различных отноше-

ниях Х/Rd

Эффективность сглаживания пульсирующего тока повышается с увеличением числа пульсаций m, так как Xd=m Ld растет пропорционально частоте пульсаций m за период.

Следует отметить преимущественное применение индуктивности в цепи нагрузки для преобразователей, имеющие значительные токи нагрузки, так как эффективность индуктивности определяется способностью запасать электромагнитную энергию в зависимости от протекающего по ней в квадратичной степени.

Id 2 Ld

QL 2 .

Поэтому наибольшее применение индуктивности в катодной (нагрузочной) цепи получило в выпрямителях средней и большой мощности. А в преобразователях для питания двигателей постоянного тока практически всегда в качестве фильтра применяются индуктивности в виде дросселей.

1.4. Работа выпрямителя на активное сопротивление и емкость

Работа выпрямителя на емкость в сочетании с активным сопротивлением возможна только при включении емкости параллельно в цепь нагрузки. Параллельно включенная емкость применяется в качестве фильтра преимущественно на малые токи при значительных значениях активного сопротивления нагрузки. Запасаемая энергия в электрическом поле определяется квадратом напряжения на нагрузке

U 2C

Qc 2 .

Рис. 1.13. Однополупериодное выпрямление при активно-емкостной нагрузке

Так как постоянная времени в R C цепи определяется T=C ·Rd, то из этого вытекает преимущественная область применения емкости в качестве фильтра в маломощных установках.

Работу схемы (рис.1.13) иллюстрируют временные диаграммы (рис.1.13,б), которые показывают, что в пределах каждого периода напряжения различаются два этапа:

1)когда вентиль проводит ток;

2)когда вентиль заперт.

В течение этапа проводимости вентиля , начинающегося при угле (величина которого определяется в последующем) и продолжающегося в течение времени , обозначенного на рис.1.13,б углом , конденсатор заряжается до момента достижения максимума напряжения e2 .

(1.67)

(определяемый участком пунктирной синусоиды iC ) опережает напряжение e2 на 900 .

Кроме зарядного тока вентиль пропускает одновременно ток в цепь нагрузки id . Этот ток пропорционален мгновенным значениям e2

Соответственно этой сумме и построена кривая анодного тока ia на рис .1.13,б.

Пройдя максимум напряжения e2 , конденсатор начинает разряжаться, и ток нагрузки становится равным сумме двух токов: тока вентиля ia и абсолютной величины разрядного тока конденсатора iC . При этом разряд-

ный ток конденсатора возрастает, а ток id неизменно следует уравнению

(1.68).

При достижении равенства токов iC id ток вентиля становится равным нулю (вентиль запирается напряжением конденсатора Uс).

В течение этапа проводимости напряжение на конденсаторе, как и на параллельно к нему присоединенной нагрузке, определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора e2

В течение второго этапа (при ia =0) конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки, становясь источником. В этом режиме абсолютная величина изменившего свое направление тока конденсатора равна току в

анапряжение на конденсаторе и нагрузке изменяется по экспоненте

спостоянной времени T=cRd

ненциальная кривая спадает к нулю достаточно медленно, и разрядный ток, а вместе и ток нагрузки сохраняют конечное значение до наступления определенного цикла проводимости. Вентиль заперт в течение времени, определяемого углом 2 - .

Угол , определяемый точкой пересечения экспоненциальной кривой с синусоидой, и определяет собой ранее введенный угол начала проводимости вентиля по отношению к началу синусоиды питающего цепь

Таким образом , получая заряд от источника питания в течение этапа проводимости вентиля и разряжаясь затем на цепь нагрузки в течение остальной части периода , конденсатор может обеспечить непрерывность тока в цепи нагрузки (при достаточно запасенной энергии конденсатором). Кривая напряжения на нагрузке при этом получается более сглаженной, по сравнению со схемой выпрямления при чисто активной нагрузке.

Эффективность использования конденсатора возрастает с увеличением фазности выпрямителя.

1.5.Работа выпрямителя на встречную ЭДС

Кнагрузкам с встречной ЭДС относятся: заряжаемые от выпрямителя аккумуляторы, двигатели постоянного тока, электролизные ванны и другие. Особенностью таких преобразователей является то, что выпрямленный ток проходит здесь под действием разности напряжений выходного Ud и встречного ЭДС Eo.

Ограничение выходного тока до нужной величины достигается за счет активного сопротивления в цепи нагрузки Rd, за счет активных и реактивных сопротивлений обмоток трансформатора, либо добавочных активных и реактивных сопротивлений в анодных или катодных цепях выпрямителя. Схема двухполупериодного выпрямителя с активным сопротивлением в катодной цепи представлена на рис.1.14.

Рис. 1.14. Двухполупериодное выпрямление при активной нагрузке и встречной ЭДС

В связи с разрывной формой кривой выпрямленного тока работа каждой фазы из вторичных обмоток может рассматриваться раздельно, что делает любые схемы как набор однополупериодных выпрямителей, последовательно включаемых за период.

Характерным в работе схемы является то, что ток в контуре выпрямления может проходить только в ту часть периода, когда напряжение переменного тока выше противо ЭДС Ео.

Поэтому вентиль вступает в работу при угле , определяемом из уравнения

вентиль заканчивает свою работу. Общая продолжительность прохождения тока через вентиль

= -2 .

(1.77)

Из уравнения (1.77) следует, что

боту, мгновенное значение тока, общая продолжительность прохождения тока через вентиль, а следовательно, и среднее значение тока через вентиль и нагрузку.

Среднее значение тока через вентиль определяется интегралом

вой 1 на рис.1.15.

Рис.1.15. Характеристики двухполупериодного выпрямителя при работе на активную нагрузку и встречную ЭДС

На этой кривой точками отмечены значения углов .

Та же кривая дает среднее значение выпрямленного тока при однополупериодной схеме выпрямления. При двухполупериодной схеме выпрямленный ток определяется двойным значением вентильного тока

Id 2Ia.

(1.82)

Амплитудное значение тока через вентиль

(1.83)

в относительном исчислении к среднему току вентиля определяется кривой 2. Кривая 3 на рис. 1.15 дает в относительных единицах действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора, вычисляемое из равенства

При включении R в катодную цепь (что имеет место при питании двигателя постоянного тока – учитывается сопротивление якоря) среднее значение выпрямленного напряжения Ud определяется равенством

Ud E0 IdRd .

(1.85)

Амплитуда обратного напряжения возрастает на величину Е.

Ub max 2E2 E0 .

(1.86)

1.6. Коммутация тока, внешние характеристики выпрямителей средней и большой мощности

В выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние ЭДС, создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформатора их магнитными потоками рассеяния. Повышение роли индуктивности рассеяния сказывается на процессе перехода тока нагрузки с одного вентиля выпрямителя на другой(процесс коммутации). Интервал коммутации, характеризуемый углом, может занимать довольно значительную часть длительности рабочих процессов. Коммутационные процессы здесь оказывают существенное влияние на работу, показатели и характеристики выпрямителя.

Влияние индуктивности рассеяния обмоток трансформатора LS1, LS 2 , а при более точных расчетах – и индуктивности питающей сети LC , учитывается суммарной индуктивностью

или индуктивным сопротивлением

X a 2 fLa La ,

(1.88)

приведенным к вторичной обмотке трансформатора.

В зависимости от числа фаз процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характеристики выпрямителя будет отличаться, а поэтому следует рассмотреть отдельно эти вопросы для однофазных и многофазных выпрямителей средней и большой мощности.

а) Однофазные выпрямители

Процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характеристики выпрямителя рассмотрим вначале для однофазной схемы с нулевым выводом (однофазная нулевая схема).

Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных процессов в схеме выпрямителя, приведены на рис.1.16,б-ж. Влияние проявляется в том, что при подаче положительного напряжения на очередной

диод выпрямителя индуктивные сопротивления X a1 и X a 2 затягивают процесс уменьшения до нуля тока проводившего вентиля и нарастания до значения Id тока вентиля, вступающего в работу (рис.1.16,г). В результате на интервале коммутации в проводящем состоянии одновременно находятся в работе оба вентиля выпрямителя. Эти вентили создают короткозамкнутый контур для последовательно соединенных вторичных обмоток

трансформатора с суммарным напряжением 2E2 и сопротивлением X a1 X a 2 . Если считать X a1 X a 2 , то к каждому из этих сопротивлений прикладывается напряжение U21 U22 . Напряжение Ud на интервале определяется выражением

Поскольку при отсчете U 21 и U22 относительно нулевой точки обмотки U21 U22 на интервале коммутации Ud = 0 (рис. 1.16,б).

Вследствие этого при вычислении напряжения Ud заштрихованные площадки на рис. 1.16,б из расчета выпадают. Таким образом, при конечной длительности этапа коммутации, среднее значение выпрямленного напряжения Ud будет меньше, чем при =0. Для Ud действительно соотношение

холостого хода (без учета коммутаций);

Ux- среднее значение потерь напряжения при коммутации вентилей за период.

Величину Ux находят из выражения

В формулу (1.91)входит член (1-cos ), который можно определить, рассмотрев более детально коммутационный процесс перехода тока, например, с диода VD2 на диод VD1. С момента включения диода VD1 начинается интервал совместной проводимости обоих тиристоров при полярности напряжений на вторичных обмотках трансформатора указанной на рис.1.16,а без скобок.

Рис. 1.16. Процесс коммутации в однофазной нулевой схеме

Постоянное уменьшение до нуля тока диода VD2 и возрастание до величины Id тока диода VD1 (рис.1.16,г) осуществляется под воздействи-

ем тока коммутаций i2k (рис.1.16,а,д), протекающего в короткозамкнутом

контуре, образованным этими токами.

Ток коммутации при этом удобно представить в виде принужденной и свободной составляющей (рис.1.16,д)