ВСТУП

Електроніка це галузь науки і техніки, яка вивчає фізичні процеси, пов'язані з протіканням електричного струму у вакуумі, газі та твердому тілі, а також пов'язана з розробкою і застосуванням компонентів, приладів і пристроїв, які засновані на використанні зазначених явищ.

Головне призначення приладів електроніки (діодів, транзисторів, тиристорів, інтегральних мікросхем) - це вплив на величину струму, що протікає в електричному колі за допомогою певного керуючого фактора. Наприклад, керуючим фактором для транзистора і тиристора є струм, що протікає через керуючий електрод.

Вплив на струм, що протікає в електричному колі, може мати дві мети:

здійснення зміни параметрів струмів і напруг, які є електричними сигналами, для перетворення інформації, яку вони відображують;

дія на потік електричної енергії, яка передається від джерела живлення до навантаження, з метою зміни її параметрів для забезпечення необхідного режиму роботи навантаження.

Відповідно до цього електронні пристрої ділять на два класи:

1.        пристрої інформаційної електроніки, які призначені для збирання, обробки, зберігання і передавання інформації, поданої у вигляді електричних сигналів ( як правило, невеликої потужності);

2.        пристрої енергетичної або силової електроніки, які призначені для передавання електричної енергії від джерела живлення до споживача з одночасною зміною її електричних параметрів (напруги, струму, частоти і т. ін.). Силові електронні пристрої переважно працюють із значними потужностями.

У курсі "Перетворювальна техніка" вивчають силові напівпровідникові перетворювальні пристрої різного призначення, які застосовуються для зміни параметрів електричної енергії.

Загальновідомо, що понад 40% електричної енергії, яка виробляється, споживається у перетвореному вигляді, тобто у вигляді постійного струму, або змінного струму нестандартної частоти . У зв'язку із розробкою і застосуванням у промисловості ряду нових технологій є стійка тен­денція подальшого зростання потужності перетворюваної електричної енергії.

Найважливішими вимогами до сучасних пристроїв перетворювальної техніки є збільшення коефіцієнта корисної дії (ККД), коефіцієнта потужності, зменшення масо-габаритних показників, забезпечення електромагнітної сумісності, а також покращення інших характеристик, які забезпечують раціональне використання електричної енергії.

Окремо слід виділити проблему покращення масо-габаритних показників, яка пов'язана з мініатюризацією перетворювальних пристроїв. Проблема мініатюризації перетворювальних пристроїв зараз тісно пов'язана з мініатюризацією силових напівпровідникових приладів (СНП). В останні роки СНП стали виготовляти у поєднанні з керуючими мікроелектронними пристроями, що стало основою так званих "Інтелектуальних силових інтегральних схем" (ICIС) які об'єднують силові ключі з елементами пуску, керування, захисту і діагностики. Існує ряд СНП різних типів з параметрами від одиниць ампер і сотень вольт до тисяч ампер і тисяч вольт, призначених для різних галузей використання. За кордоном такі блоки вже мають досить широке застосування, особливо у побутовій техніці і виробничих механізмах (пральні машини, пилососи, холодильники, кухонні комбайни, шліфувальні і деревообробні верстати та ін.)

З метою мініатюризації вторинних джерел живлення застосовують підвищення робочої частоти перетворювачів до величин в десятки і сотні кілогерців. Завдяки цьому можна значно зменшити масу і об'єм перетворювачів.

Широке застосування у системах керування перетворювачами мікропроцесорів і мікро-ЕОМ, найновіших елементів аналогової і цифрової техніки дає можливість створювати програмовані перетворювачі параметрів електричної енергії. Такі перетворювачі працюють за відповідною програмою, а також постійно ведуть контроль і діагностику основних елементів системи у процесі її роботи.

Головним змістом курсу "Перетворювальна техніка", є вивчення принципів побудови та дії перетворювачів електричної енергії, аналіз електромагнітних процесів в них і розробка на цій основі методів розрахунку, алгоритмів аналізу і синтезу, а також ознайомлення з існуючими конкретними типами сучасних промислових зразків перетворювачів.

Класифікація перетворювачів параметрів електричної енергії.

Перетворювачі ділять на дві основні групи:

1.        перетворювачі змінної напруги (які живляться від джерел змінної напруги);

2.        перетворювачі постійної напруги (які живляться від джерел постійної напруги).

До перетворювачів змінної напруги відносять: випрямлячі, перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком, перетворювачі числа фаз, регулятори (стабілізатори) змінної напруги.

До перетворювачів постійної напруги відносять: автономні інвертори, широтно-імпульсні перетворювачі постійної напруги (регулятори, стабілізатори), транзисторні стабілізатори постійної напруги неперервної та імпульсної дії, перетворювачі постійної напруги однієї величини в постійну напругу іншої величини (конвертори). Перераховані перетворювальні пристрої виконують роль електронних трансформаторів, які сполучають джерело електричної енергії із споживачем, або поєднують одну систему напруг з іншою.

Перетворювачі, побудовані з окремих простих перетворювачів, що перераховані вище,  утворюють багатокаскадну перетворювальну систему.

До складу напівпровідникових перетворювачів, як правило, входять трансформатори, а також реактивні елементи електричного кола (дроселі і конденсатори), які виконують функцію гальванічної розв'язки, а також фільтрації струмів і напруг, які протікають в елементах перетворювальної системи.

Розрізняють зворотні і незворотні перетворювачі. Незворотні перетворювачі забезпечують передавання енергії тільки в одному напрямку і пов'язують систему живлення із системою споживання енергії. Зворотні перетворювачі можуть передавати енергію у двох напрямках. Вони з’єднують дві системи, які містять як джерела, так і споживачів електричної енергії і здійснюють обмін енергією між цими системами в обох напрямках. Зворотні перетворювачі з’єднують систему змінної напруги із споживачами, які на певних етапах роботи можуть ставати джерелами електричної енергії. Наприклад, двигуни постійного струму під час гальмування працюють в генераторному режимі. Для використання цієї енергії застосовують режим рекуперативного гальмування, при якому енергія від навантаження передається до мережі живлення. До групи зворотних перетворювачів відносять також перетворювачі, у яких на певних інтервалах періоду здійснюється повертання реактивної енергії навантаження (наприклад дроселя) до джерела живлення.

Розрізняють реверсивні і нереверсивні перетворювачі. У нереверсивних перетворювачах полярність напруги на стороні споживача постійного струму незмінна. У реверсивних перетворювачах полярність напруги на виході перетворювача може змінюватися у процесі регулювання напруги на навантаженні (наприклад, електрична машина в прокатному стані та ін.).

Випрямлячі і інвертори ділять на однофазні і багатофазні, керовані і некеровані. Перетворювальні системи можуть бути як одноканальні, так і багатоканальні по входу і виходу, нерегульовані і регульовані (стабілізовані).

За способом формування і регулювання вихідної напруги (струму) перетворювачі ділять на однозонні і багатозонні. В однозонних перетворювачах формування вихідної напруги здійснюється за рахунок імпульсно-часової модуляції всієї вхідної напруги шляхом її періодичного підключення і відключення,

У багатозонних перетворювачах формування вихідної напруги здійснюється за рахунок часткової імпульсно-часової модуляції у межах однієї зони, напруга якої у ціле число раз менша за величину вихідної напруги.

За характером роботи силових ключів перетворювачі ділять на однотактні і двотактні.

В однотактних перетворювачах комутація (включення і виключення) ключових елементів відбувається один раз за період змінної напруги.

У двотактних перетворювачах комутація відбувається два рази за період (один раз за півперіод).

Області застосування перетворювачів.

Випрямлячі широко застосовують у кольоровій металургії (виробництво алюмінію та інших металів), хімічній промисловості (крекінг метану та ін.), на залізничному і міському транспорті (мережа живлення постійного струму), електрозварюванні, гальванотехніці, для заряджання акумуляторів, електроерозійної обробки металів, у джерелах вторинного електроживлення (ДВЕЖ) радіоелектронної апаратури, ЕОМ, засобів автоматики, вимірювальній техніці та інших технічних пристроях і системах. Крім того, випрямлячі є складовою частиною у перетворювачах частоти з ланкою постійного струму.

Інвертори застосовують для живлення споживачів електричної енергії змінного струму. Первинним джерелом при цьому є або електрична мережа постійного струму, або акумуляторні батареї, сонячні батареї та інші джерела постійного струму. Інвертори застосовую також в системах передавання електричної енергії постійним струмом. Вони є складовою частиною в багатоланкових перетворювачах частоти з ланкою постійного струму.

Перетворювачі частоти застосовують для електроприводу змінного струму, електротермії, живлення радіоелектронної апаратури, а також світлотехнічних пристроїв.

Широтно-імпульсні перетворювачі (регулятори) постійної і змінної напруги застосовують для стабілізації і регулювання напруги приладових комплексів, для швидкодіючих прецизійних тахометричних слідкуючих систем, для електрохімії, підйомно-транспортних засобів, тягових електроприводів гірничодобувної промисловості, електромобілів, міського електротранспорту.

Перетворювачі числа фаз застосовують для перетворення однофазної напруги у трифазну і навпаки (наприклад для рухомого складу змінного струму).

Напівпровідникові перетворювачі широко використовуються як комутаційна апаратура і статичні коректори (регулятори) реактивної потужності.

 

РОЗДІЛ 1.                    ВИПРЯМЛЯЧІ.

1.1.   Загальні відомості.

Випрямляч - це пристрій, який призначений для перетворення змінної напруги у постійну. На рис.1.1, а наведено еквівалентну схему однофазного випрямляча з нульовим виводом, а на рис. 1.1, б - часові ді­аграми струмів і напруг у цьому випрямлячі.

Рис. 1.1 Еквівалентна схема а)  та часові діаграми  б) однофазного випрямляча з нульовим виводом

 На рисунках прийняті такі позначення: напруга мережі живлення; ЕРС вторинних обмоток трансформатора; кількість витків первинної обмотки трансформатора;  кількість витків кожної вторинної обмотки трансформатора; опір навантаження; VS1 і VS2 - тиристо­ри; СК1 та СК2 - системи керування тиристорами;  та  вихідні напруги системи керування (імпульси керування);  кут керування фази керуючих імпульсів; ,  миттєві значення випрямленого струму і напруги. Кут керування  можна зміню­вати за допомогою системи керування у межах від 0 до 180 електричних градусів. Внаслідок цього середнє значення випрямленої напруги  буде зміню­ватися від максимального значення до нуля.

Як видно з наведеного прикладу, головними елементами випрямляча є трансформатор TV, який змінює величину напруги і здійснює електри­чну розв'язку навантаження і мережі живлення, а також вентилі VS, за допомогою яких забезпечується одностороннє протікання струму у колі навантаження. Внаслідок цього змінна напруга мережі  перетворюєть­ся у пульсуючу напругу . Для згладжування пульсацій випрямленої напруги на виході випрямляча встановлюють згладжувальний фільтр. Для ре­гулювання або стабілізації випрямленої напруги чи струму на виході випрямляча встановлюють регулятор або стабілізатор. У деяких випрямлячах регулятор (стабілізатор) може стояти на стороні змінної напруги.

На рис. 1.2 наведено структурні схеми основних типів перетворювачів змінної напруги в постійну.

Рис. 1.2 Структурні схеми основних типів перетворювачів змінної напруги в постійну

Такі перетворювачі підключаються до джерела змінної напруги (ДЗН) та містять випрямляч (В), систему керування (СК) електричний згладжувальний фільтр (Ф), стабілізатор (С), автоматичний регулятор (АР). Схема на рис.1.2, а містить блок обмеження струму (БОС), який спрацьовує при аварійних режимах. На рис 1.2, б наведено одноканальну, а на рис.1.2, в - багатоканальну схему, яка містить імпульсний стабілізатор напруги (ІСН) та інвертор ( І ). Як правило,  інвертор працює на високих частотах (десятки і сотні кілогерців), що забезпечує суттєве зменшення маси і об'єму перетво­рювального трансформатора. У каналі невеликої потужності включають неперервні стабілізатори напруги (НСН). У багатока­нальних схемах застосовують негативні зворотні зв'язки, які значно покращують стабілізуючі властивості перетворювача.

Режим роботи і параметри окремих елементів випрямляча, фільтра, регулятора і стабілізатора узгоджуються із заданими умовами роботи споживача постійного струму. Тому важливою задачею теорії вип­рямляючих пристроїв є визначення розрахункових співвідношень, які б дозволяли по заданому режиму роботи споживача визначити електричні параметри елементів стабілізатора, регулятора, фільтра, системи ке­рування, а також вентилів і трансформатора випрямляча. По елект­ричним параметрам цих елементів, можна здійснити їх вибір з довідкової літератури, або, якщо це необхідно, розрахувати і виготовити.

Якщо в колі постійного струму керованого випрямляча є джерело постійної електрорушійної сили (ЕРС), такий випрямляч може працювати у двох режимах:  випрямляча або інвертора, веденого мережею.

На рис.1.3 наведено структурну схему і часові діаграми напруг однофазного керованого випрямляча (КВ) у колі постійного струму якого включена електрична машина, що працює в режимі двигуна з проти-ЕРС. Для того, щоб перетворювач працював у режимі випрямляча, кут керування  повинен змінюватися у діапазоні . У цьому випадку ЕРС мережі  та струм мережі  співпадають за напрямом. При цьому мережа працює як генератор електричної енергії. Проти-ЕРС двигуна  і струм у колі навантаження  протилежні за напрямком. Отже електрична машина працює як споживач електричної енергії. Внаслідок цього енергія електричної мережі перетворюється керованим випрямлячем і передається до кола постійного струму (на рис.1.3,а  це відображено широкою стрілкою).

Рис. 1.3 Структурна схема і часові діаграми однофазного керованого випрямляча при роботі на проти-ЕРС

На рис.1.4. наведено структурну схему і часові діаграми того ж самого керованого випрямляча з електричною машиною, який працює у режимі інвертора веденого мережею.

Рис. 1.4 Структурна схема і часові діаграми однофазного інвертора

веденого мережею

Щоб забезпечити такий режим роботи кут керування  треба змінювати у діапазоні . Електрична машина переводиться у режим генератора. При цьому струм навантажен­ня  і ЕРС генератора  співпадають за напрямом, а ЕРС  і струм   мережі - протилежні. В результаті цього  мережа живлення стає спожи­вачем електричної енергії, яка передається із кола постійного стру­му від електричної машини. При цьому перетворювач працює у режимі інвертора, веденого мережею.

1.1.1.        Класифікація схем випрямлячів.

Розрізняють однотактні і двотактні схеми випрямлячів. На рис. 1.5, а, б, г наведено однотактні схеми: 1) однофазного однопівперіодного випрямляча; 2) однофазного з нульовим виводом; 3) трифазного з нульовим виводом (схема Міткевича).

Рис. 1.5 Основні схеми випрямлячів

Для однотактних випрямлячів відношення частоти пульсацій випрямленої напруги до частоти мережі живлення    (рис.1.6) дорівнює кількості фаз вторинної обмотки трансформатора , тобто .

Рис. 1.6

Однотактні випрямлячі обов'язково мають середню (нульову) точку вторинних обмоток трансформатора (крім найпростішого однопівперіодного випрямляча).

На рис.1.5, в, д наведено двотактні схеми: 1) однофазного мостового випрямляча (схема Греца); 2) трифазного мостового випрямляча (схема Ларіонова).

У двотактних випрямлячах . Це можна пояснити тим, що у кожній фазі вторинної обмотки трансформатора струм протікає двічі за період, причому у протилежних напрямках.

Усі перераховані схеми є класичними і відносяться до простих схем. Складні схеми - це схеми, що складаються з кількох простих. Наприклад на рис.1.5, е наведена схема подвійного трифазного випрямляча із зрівняльним реактором (дроселем) - схема Кюблера.

Основними елементами випрямляча є трансформатори та  вентилі (ді­оди, тиристори, силові транзистори). Розглянемо їх еквівалентні схеми.

1.1.2.        Еквівалентні схеми і параметри трансформатора.

На рис.1.7, а наведено потокозчеплення двообмоткового трансформа­тора та його спрощена структура.

Рис. 1.7 Еквівалентні схеми заміщення двообмоткового трансформатора

Якщо трансформатор приведено до однако­вої кількості витків обох обмоток, що дорівнюють кількості витків вторинної обмо­тки , то внаслідок цього магнітний зв'язок між обмотками  і  замі­няється електричним зв'язком між приведеною первинною і вторинною обмотками (рис.1.7, б). При цьому параметри  вторинної обмотки залишаються незмінними, а параметри приведеної первинної обмотки  визначаються з виразів:

де .    

На еквівалентній схемі рис. 1.7, б   - реактивна провідність зумовлена магнітним потоком, який замикається в осерді трансфор­матора; - активна провідність зумовлена втратами в осерді, що пов'язані з вихровими струмами та  явищем гістерезису (перемагнічуванням осердя).

Якщо знехтувати величиною струму холостого ходу, еквівалентна схема спрощується (рис.17, в). Об'єднавши активні опори, а також індуктивності, одержимо схему наведену на рис.1.7, г, де активний опір обмоток; індуктивність, що зумовлена потоками розсіювання обмоток.

У залежності від потужності трансформатора розрізняють такі випрямлячі:

1.        Випрямлячі малої потужності.

Для цієї групи виконується умова . Тому при наближених розрахунках величиною  нехтують, що значно спрощує розрахунки. До цієї групи відносять випрямлячі потужністю від одиниць ват до одиниць кіловат.

2.        Випрямлячі середньої потужності.

Для цієї групи  і  сумірні за величиною. Тому при розрахун­ках треба враховувати обидва параметра. До цієї групи належать вип­рямлячі потужністю в десятки кіловат.

3.        Випрямлячі великої потужності.

Для цієї групи виконується умова . Тому при наближених розрахунках можна враховувати тільки параметр , нехтуючи величиною . До цієї групи належать випрямлячі потужністю сотні кіловат, мегавати.

1.1.3.        Еквівалентні схеми силових напівпровідникових приладів.

Існують фізичні моделі напівпровідникових приладів. Це моделі Еберса-Мола, Линвіла, Бофуа-Спаркса, Агаханяна та ін. Вони будуються на фізичних явищах, які відбуваються у  переходах.

Існують і функціональні моделі, які характеризують силовий вентиль, як ключ. Вони враховують тільки два режими його роботи: режим, коли вентиль включений і режим, коли він виключений. Розгляне­мо функціональні моделі, не враховуючи тривалість процесу включення й виключення вентиля, так як ці інтервали значно менші у порівня­нні і з тривалостями інтервалів, коли вентиль включений і виключений. Такі моделі отримали назву ключові.

Ключові моделі  вентилів і відповідні вольт-амперні характеристики (ВАХ) наведені на рис.1.8.

Рис. 1.8 Функціональні (ключові) моделі  вентиля та його ВАХ

На рис.1.8, а наведена ключова модель типу „ідеальний ключ”. Алгоритм комутації ключа  (умови включення й виключення) є такими:

1.        для діода умова включення ,  умова виключення ;

2.        для тиристора окрім попередніх умов треба задати кут керуван­ня  тобто момент подавання імпульсу керування на керуючий електрод.

На рис.1.8, б - д наведені ключові моделі вентилів з врахуванням втрат потужності у вентилі та напруги і струму відсічки, а також відповідні ВАХ. На рис.1.8, б наведена ключова модель з урахуванням втрат потужності у прямому напрямку (опір втрат у включеному стані ); на рис.1.8, в - з урахуванням втрат потужності у прямому напрямку  і напруги відсічки ; на рис. 1.8, г - з урахуванням втрат потужності в прямому і зворотному напрямках (опір втрат у виключеному стані );  на рис.1.8, д - з урахуванням втрат потужності у прямому і зворотному напрямках, а також напруги і струму відсічки.

На рис. 1.9, а  наведено функціональну модель для вимикання тиристо­ра, а на рис. 1.9, б - для вмикання.

Рис. 1.9 Функціональні моделі для вмикання та вимикання тиристора

На протязі одного періоду напруги мережі живлення (первинного джерела напруги) вентилі перетворювача на окремих інтервалах перебу­вають у включеному стані, а на інших - у виключеному. Якщо розгляда­ти вентильну групу перетворювача як деякий електронний комутатор, то його структура за період може бути незмінною на усіх інтервалах пе­ріоду, або змінною. Це залежить від вибору еквівалентної схема вентиля. Тому розрізняють еквівалентні схеми напівпровіднико­вих силових перетворювачів з постійною, або із змінною структурою.

1.1.4.        Найважливіші електричні параметри і характеристики випрямлячів.

1.1.4.1.      Електричні параметри вентилів.

Основними електричними параметрами вентилів, по яким обираються конкретні типи вентилів є середнє, діюче і максимальне значення струму вентиля, а також  максимальні значення зворотної і прямої напруги вентиля.

1.1.4.2.      Електричні параметри трансформатора.

діючі значення ЕРС вторинної обмотки трансформатора, а також струмів вторинної і первинної обмоток;

розрахункові потужності первинної та вторинної обмоток трансформатора;

типова потужність трансформатора.

1.1.4.3.      Експлуатаційні параметри і характеристики випрямлячів.

1.         середні значення випрямленої напруги та струму.

2.        зовнішня характеристика випрямляча.

3.         регулювальна характеристика випрямляча.

4.         коефіцієнт корисної дії випрямляча, де активна потужність у колі випрямленого струму, сумарні втрати потужності у випрямлячі, які враховують втрати в обмотках трансфор­матора, вентилях, фільтрах, стабілізаторах, системі керування, а також у допоміжних пристроях.

1.        коефіцієнт потужності випрямляча, де  коефіцієнт спотворення струму, який характеризує гармонічний склад струму первинної обмотки трансформатора і дорівнює відношенню діючо­го значення струму першої гармоніки   до діючого значення струму первинної обмотки  трансформатора; кут зсуву фази першої гармоніки струму первинної обмотки по відношенню до прикладеної синусоїдальної напруги мережі живлення.

2.        коефіцієнт пульсації випрямленої напруги для гармоніки з номером , який дорівнює відношенню амплітуди напруги цієї гармоніки  пульсації  до середнього значення випрямленої напруги . Коефіцієнт пульсацій характеризує гармонічний склад випрямленої напруги.

Контрольні питання

1.        Для чого призначені випрямляючі пристрої?

2.        Внаслідок чого змінна напруга перетворюється випрямлячем у пульсуючу напругу?

3.        Назвіть основні блоки, що входять до складу перетворювачів змінної напруги у постійну напругу.

4.        У яких двох основних режимах може працювати керований випрямляч при наявності у колі навантаження постійної ЕРС?

5.        За якими ознаками класифікують випрямлячі? Назвіть основні схеми випрямлячів.

6.        На які групи поділяють випрямлячі в залежності від потужності?

7.        Як залежить відношення  в залежності від потужності випрямляча?

8.        Чим фізичні моделі напівпровідникових вентилів суттєво відрізняються від функціональних моделей?

9.        Назвіть основні функціональні моделі вентилів. В чому полягають їх відмінності?

10.   Назвіть основні електричні параметри  напівпровідникових вентилів.

11.   Назвіть основні електричні параметри трансформаторів.

12.   Назвіть основні експлуатаційні характеристики випрямлячів.

 

1.2.   Однофазні випрямлячі.

1.2.1.        Однофазний однопівперіодний випрямляч.

На прикладі найпростішого однофазного однопівперіодного випрям­ляча без урахування втрат в осерді трансформатора та вимушеного підмагнічування осердя розглянемо методику розрахунку випрямляча при різних типах навантаження:

1.        активному ;

2.        активно-індуктивному ;

3.        активно-ємністному ;

4.        індуктивному з проти-ЕРС ;

5.        режим інвертування струму і напруги.

1.2.1.1.      Активне навантаження.

Таке навантаження найчастіше використовується при невеликих потужностях. В цьому випадку  індуктивність розсіювання обмоток трансформатора порівняно невелика  и можна вважати, що . При складанні еквівалентної схеми трансформатора будемо враховувати тільки втрати в обмотках. При цьому величина . В результаті еквівалентна схема трансформатора буде мати вигляд, наведений на рис. 1.10, а, де , а . Якщо замінити вентиль ідеалізованою ключовою моделлю (), то еквівалентна схема випрямляча приймає вигляд,  показаний на рис.1.10, б.

Для некерованого режиму алгоритм комутації вентиля буде таким: момент включення , момент виключення  .  На рис. 1.10, в  наведено часові діаграми струмів і напруг для некерованого режиму (). За період напруги живлення вентиль перебуває у двох станах  ключ замкнений, ключ розімкнений.

Рис. 1.10 Схема заміщення однофазного однопівперіодного випрямляча

та  часові діаграми його роботи

Розрахуємо найважливіші електричні параметри однопівперіодного випрямляча.

Параметри кола навантаження.

Якщо напруга мережі живлення синусоїдальна, то й ЕРС вторинної
обмотки також буде синусоїдальною: , де . На інтервалі  напруга на навантаженні буде дорівнювати

,     де .

Струм, що проходить через вентиль    спадає до нуля в момент  і вентиль виключається. На інтервалі  ключ розімкнений. Починаючи з  моменту  напруга на вентилі стає негативною, а струм у колі дорівнює нулю. Отже і напруга на навантаженні .

Середнє значення напруги на навантаженні за період

.             (1.1)

Середнє значення випрямленого струму за період

,

де амплітудне значення струму через вентиль.

Амплітуда основної гармоніки пульсацій випрямленої напруги дорівнює

.

Тоді коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги для основної гармоніки

.                                     (1.2)

Параметри вентиля.

Максимальна зворотна напруга вентиля  дорівнює

 .                                          (1.3)

Діюче значення струму вентиля

.  (1.4)

         При виводі останнього співвідношення враховано, що

,    .

Розрахувавши величини  за довідниками можна обрати  підходящий діод (вентиль).

Параметри трансформатора.

Розрахункова потужність вторинної обмотки трансформатора визначається наступним чином

         ,                       (1-5)

де  постійна складова потужності навантаження.

Розрахункова потужність первинної обмотки трансформатора

                                                                    (1.6)

Діюче значення напруги, прикладеної до первинної обмотки
трансформатора   дорівнює:                       

,                                      (1.7)

де коефіцієнт трансформації.

Діюче значення струму первинної обмотки трансформатора

Миттєве значення струму первинної обмотки трансформатора визначається з умови рівноваги магніторушійних сил (МРС) обмоток, які розташовані на осерді трансформатора

,

де змінна складова струму. Тоді миттєве значення струму первинної обмотки трансформатора буде дорівнювати:

.

Враховуючи форму змінної складової струму наведену на рис. 1.10, б, можна записати

 .       (1.8)

Підставляючи значення   та  у вираз (1.6)  одержимо, що розрахункова потужність первинної обмотки трансформатора може бути визначена за формулою

                                                  (1.9)

 

Величину, що дорівнює  називають типовою потужністю трансформатора.

Коефіцієнт потужності випрямляча  визначається як

,                                                 (1.10)

де активна потужність первинної обмотки трансформатора; повна потужність первинної обмотки трансформатора.       

Активну потужність первинної обмотки трансформатора можна знайти за формулою:

де номер гармоніки.

Вважаючи, що напруга мережі    мае синусоїдальну форму, тобто всі вищі гармоніки цієї напруги дорівнюють нулю, можна записати

.

Оскільки струм первинної обмотки несинусоїдальний, то діюче значення цього струму визначається за формулою

 ,

де    діюче значення струму першої гармоніки, а  діюче значення струму  гармоніки з номером  .

Таким чином,  

                              (1.11)

Параметр  називають коефіцієнтом спотворення форми струму первинної обмотки, а кут кутом зсуву фази основної гармоніки струму первинної обмотки відносно напруги мережі живлення.

Керований режим роботи випрямляча, при якому може змінюватися кут керування  проілюстрований часовими діаграмами на рис.1.10, г. Середнє значення випрямленої напруги

        (1.12)

де  середнє значення випрямленої напруги при .

Вираз (1.12) описує регулювальну характеристику випрямляча.

Згідно рис.1.17, г максимальне значення прямої та зворотної напруг на вентилі дорівнює відповідно  ;   .

Однофазний однопівперіодний випрямляч має багато суттєвих недоліків. Найголовніший з них - це вимушене підмагнічування осердя трансформатора, яке зумовлене постійною складовою струму вторинної обмотки . Для послаблення цього явища, яке супроводжується зростанням струму первинної обмотки трансформатора рекомендують включати послідовно з первинною обмоткою діод, паралельно якому підключений резистор.

Випрямлена напруга однопівперіодного випрямляча містить значні пульсації, струм первинної обмотки має спотворену форму. Коефіцієнт використання потужності трансформатора ,  дуже малий.

1.2.1.2.      Активно - індуктивне навантаження.

Таке навантаження являє собою поєднання індуктивного згладжувального фільтра і активного опору. Воно  використовується для випрямлячів середньої і великої потужності. Тому вважаючи, що , а також використовуючи модель ідеалізованого вентиля еквівалентну схему випрямляча можна подати у такому вигляді, як на рис.1.11, а.

 

Рис. 1.11 Схема заміщення та часові діаграми роботи однопівперіодного випрямляча при навантаженні

Будемо вважати, що . Алгоритм комутації вентиля (діода) такий самий, як і при активному навантаженні (момент включення, момент виключення вентиля).

В результаті періодичного замикання й розмикання ключа в електричному колі виникають перехідні процеси на кожному періоді напруги мережі. Розрахунок перехідного процесу проведемо класичним методом. Диференційне рівняння, що описує процеси у даному колі, має вигляд

                                  (1.13)

де

Часткове рішення  рівняння (1.13) являє собою вимушений струм на інтервалі , коли вентиль ввімкнений:

                                                          (1.14)

де

Рішення однорідного рівняння

описує вільний струм на інтервалі :

.                                   (1.15)

Отже, перехідний струм на інтервалі :

.                    (1.16)

На рис.1.11, б показані часові діаграми перехідного струму , побудовані за допомогою двох складових  і , а також напруга на вентилі . Тривалість протікання струму  за кожен період визначається за умови

                            (1.17)

При  вентиль закривається і на ньому стрибкоподібно з'являється зворотна напруга , де . На інтервалі  до вентиля прикладена негативна напруга і він закритий.

Тривалість протікання струму у колі навантаження залежить від співвідношення . Чим більше , тим більша тривалість інтервалу . При  (індуктивне навантаження) . При  (активне навантаження) .

На рис.1.11, в наведено залежність відносного значення    для трьох значень  :  1) ; 2) ; 3)  при  , . Третій режим відповідає режиму короткого замикання навантаження. Для цього режиму  , кут зсуву фаз , .  При   струм   досягає максимального значення . Тобто максимальне значення струму у вторинній обмотці трансформатора з урахуванням вентиля у два рази більше амплітуди усталеного струму у вторинній обмотці трансформатора, до якої підключено індуктивність  при відсутності вентиля. Таким чином, можемо зробити висновок, що режим короткого замикання вторинної обмотки трансформатора у випрямлячах з урахуванням вентилів більш небезпечний, ніж режим короткого замикання вторинної обмотки трансформатора без вентилів. У потужних випрямлячах в режимі короткого замикання струм швидко зростає до дуже  великих значень. Тому треба забезпечувати швидке відключення випрямляча від мережі живлення за допомогою спеціальних захисних пристроїв.

 Для послаблення аварійних струмів, при проектуванні трансформаторів для потужних випрямлячів штучно завищують індуктивність розсіювання . Крім того механічні кріплення обмоток і осердя трансформатора мають бути підвищеної міцності, оскільки при аварійних режимах виникають значні електродинамічні зусилля.

1.2.1.3.      Активно - ємнісне навантаження.

Активно-ємнісне навантаження застосовують для випрямлячів малої потужності. Тому при складанні еквівалентної схеми випрямляча можна вважати  З метою спрощення розрахунків будемо вважати, що , тоді . Еквівалентна схема випрямляча наведена на рис.1.12, а. Момент включення вентиля (діода) визначається  з нерівності момент виключення визначається  з умови .

Рис. 1.12 Еквівалентні схеми та часові діаграми роботи однопівперіодного

випрямляча при ємнісному навантаженні

За період напруги живлення схема працює у двох режимах:

1.        на інтервалі   ,  коли ключ замкнений

2.        на інтервалі  , коли ключ розімкнений.

Для першого режиму розрахункова схема наведена на рис.1.12, б. Електромагнітні процеси описуються такими рівняннями:

             (1.18)

Для другого режиму розрахункова схема наведена на рис.1.12, в.

Електромагнітні процеси описуються такою системою рівнянь:

                                        (1.19)

 

При переході від одного режиму до іншого структура схеми змінюється. Тому цей випрямляч відноситься до схем із змінною структурою. Визначимо струми і напруги для другого режиму.

Розв'язуючи друге рівняння системи (1.19), визначимо у загальному вигляді напругу на конденсаторі

                          (1.20)

Підставляючи одержане значення  у перше рівняння системи (1.19) визначимо напругу на вентилі

                       (1.21)

Струм у конденсаторі

                                    (1.22)

Струм у колі навантаження

                                         (1.23)

Часова діаграма для обох режимів роботи випрямляча наведена на рис.1.12, г. Визначимо сталу інтегрування  А  та граничні моменти інтервалів  і . Момент   визначати не треба, оскільки внаслідок періодичності процесів

Момент   визначаємо за умови рівності нулю струму  в кінці першого інтервалу.  При  тому

                                     (1.24)

Розв'язуючи рівняння (1.24), одержимо

                              (1.25)

Виходячи з умови безперервності напруги на конденсаторі у момент переходу від першого до другого інтервалу при , знаходимо

                              (1.26)

 Із рівняння (1.26) одержимо

.                               (1.27)

Момент часу   визначаємо з умови періодичності процесів. При  і  напруги на конденсаторі повинні бути однакові

                         (1.28)

Підставляючи в рівняння (1.28) значення постійної інтегрування А одержимо

                (1.29)

Розв'язуючи трансцендентне рівняння (1.29), визначимо момент .  Для знаходження наближеного розв’язку можна скористатися  розкладанням  показникової і тригонометричної функцій  у відповідні ряди (наприклад, ряд Тейлора) обмежившись першими 2...З членами ряду.

1.2.1.4.      Індуктивне навантаження з проти-ЕРС.

Випрямлячі використовуються для живлення, як статичних навантажень (які розглянуті вище), так і динамічних. Прикладом динамічного навантаження є електрична машина. Якщо електрична машина працює в режимі двигуна при сталій швидкості обертання, то при спрощених розрахунках її можна подати у вигляді послідовного з'єднання індуктивності і незмінної проти-ЕРС . Для згладжування пульсацій у колі навантаження вводять згладжувальний дросель. Тому коло навантаження можна замінити еквівалентною схемою а індуктивністю  і проти-ЕРС  (рис.1.12, а).

Рис. 1.13 Еквівалентні схеми та часові діаграми роботи однопівперіодного

випрямляча при роботі на проти-ЕРС

Еквівалентна схема випрямляча наведена на рис.1.12, б.  Тут враховано  ,  (ключова модель діода), .

Схема має два інтервали роботи за період, які відповідають стану вентиля:

1.        ключ замкнений  ;

2.        ключ розімкнений .

В момент  на вентилі  виникає позитивна напруга і він відкривається (ключ  замикається). Напруга на вентилі стає рівною нулю  (точка А на рис.1.12, в).  Рівняння рівноваги напруг в схемі буде таким

,                              (1.30)

де .

Розв'язавши рівняння (1.30) визначаємо струм у схемі на першому інтервалі

,   (1.31)

де фаза  (момент включення вентиля ) визначається із умови

Момент виключення вентиля  можна знайти, зважаючи на те, що при  струм спадає до нуля :

,                        (1.32)

де тривалість протікання струму.

Інтеграл (1.32) пропорційний середньому значенню напруги на еквівалентній індуктивності . Ця напруга повинна дорівнювати нулю, оскільки вважаємо, що індуктивність ідеальна і у ній відсутні втрати енергії. Рівняння (1.32) дає змогу визначити величину .

З іншого боку, рівняння (1.32) визначає загальну площу, що обмежена кривою  відносно горизонтальної лінії . Інтеграл (1.32) буде дорівнювати нулю, якщо площа ділянки із знаком  буде дорівнювати площі ділянки із знаком .

В момент  струм  спадає до нуля і вентиль  закривається (ключ  розмикається). На другому інтервалі періоду  струм , а напруга на вентилі буде негативною (рис.1.13, в). Максимальна зворотна напруга на вентилі

.                                    (1.33)

Стрибок напруги на вентилі у момент

.                       (1.34)

1.2.1.5.      Режим інвертування.

Інвертор - це пристрій, призначений для перетворення постійного струму у змінний. Інвертори можна побудувати тільки на керованих вентилях.

 Розрізняють два типи інверторів:

1.        інвертори ведені мережею, у яких споживачем енергії є мережа змінного струму,  що містить генератори змінної напруги;

2.        автономні інвертори, у яких споживачем є навантаження змінного струму, яке не містить у своєму складі інших джерел змінної напруги.

У інверторах, ведених мережею, струм з одного вентиля на інший комутується за допомогою змінної напруги мережі. Тому частота інвертованого струму дорівнює частоті мережі. При цьому кут регулювання . Розрахунок інверторів, ведених мережею, аналогічний розрахунку керованих випрямлячів.

У автономних інверторах струм вентилів комутується за допомогою спеціальних комутуючих пристроїв, які формують імпульси керування. При цьому частота інвертованого струму визначається частотою імпульсів керування.

На рис.1.14, а наведено схему однофазного однопівперіодного інвертора, веденого мережею, яка на відміну від схеми на рис. 1.13, а, в колі постійного струму містить генератор постійного струму, а як вентиль використовується тиристор, який вмикають при кутах керування .

Рис. 1.14 Еквівалентні схеми та часові діаграми роботи

 однопівперіодного інвертора веденого мережею

В якості генератора постійного струму  виступає електрична машина, яка працює в  генераторному режимі  (  та  збігаються за напрямком). Первинна обмотка трансформатора підключена до мережі змінного струму, яка створює на вторинній обмотці змінну ЕРС  . По відношенню до вентиля  ЕРС   періодично змінює свій знак. На першому півперіоді  узгоджена з , а на другому півперіоді   направлена зустрічно до . По відношенню до інвертованої ЕРС  тиристор  завжди включений у прямому напрямі. Енергія передається від генератора постійного струму до мережі змінного струму тоді, коли напрями інвертованого струму  та змінної ЕРС  протилежні, тобто коли   та   направлені зустрічно. Процес інвертування можливий, якщо .

На рис.1.14, б наведено еквівалентну схему інвертора з урахуванням ,(ключова модель діода), .

Момент включення вентиля  визначається моментом появи імпульсу керування за умови, що  . Момент виключення вентиля визначається з умови .

Коли ключ замкнений струм в еквівалентній схемі  може бути визначений з рівняння

.                                                (1.35)

Це рівняння відрізняється від рівняння (1.30) для еквівалентної схеми випрямляча з індуктивним навантаженням і проти-ЕРС знаком у лівій частині рівняння. Тому вираз для струму  інвертора, веденого мережею, буде відрізнятися тільки знаком

.                           (1.36)

У виразі (1.36) замість кута  враховується кут , який визначає момент відкривання вентиля.

На рис.1.14, в наведено часові діаграми напруг і струму інвертора, веденого мережею. На протязі першого півперіоду ЕРС   та  співпадають за напрямком. Отже обидва джерела можуть працювати як генератори електричної енергії. При цьому споживачем енергії буде дросель . На другому півперіоді ЕРС  та  мають зустрічний напрям і у схемі можна здійснити режим інвертування. При цьому треба, щоби кут керування перебував між граничними значеннями  і . Кут  відповідає моменту часу  і точці  на діаграмі. До цієї точки напруга між анодом і катодом тиристора позитивна і він може бути включений. Кут керування  є мінімально допустимим. Якщо  (наприклад кут  на рис.1.14, в) інвертор втрачає працездатність (перевертання інвертора). Перевертання інвертора - аварійний режим, який супроводжується значним зростанням струму  (режим короткого замикання, при якому до дроселя  підключені послідовно і узгоджено два джерела напруги  і  ).

Кут керування  повинен забезпечувати проходження струму  через нуль до моменту , який зміщений відносно моменту  (відповідає точці  на рис. 1.14, в) на кут . На протязі часу, що відповідав куту , між анодом і катодом тиристора повинна бути прикладена негативна напруга, завдяки якій відбувається повне відновлення вентильних властивостей   тиристора. Вважають, що для надійного запирання тиристора , де  час розсмоктування об’ємного заряду.

Розглянемо режим роботи інвертора, веденого мережею, при кутах керування  (рис.1.14, в), що відповідає моменту часу .

Можна виділити такі характерні інтервали на проміжку  протікання  струму  в еквівалентній схемі:

1.        .  На цьому інтервалі ЕРС , , а також струм  співпадають за напрямком. При цьому струм  зростає, а тому ЕРС самоіндукції дроселя   буде направлена назустріч струму  . На цьому інтервалі обидва джерела ЕРС ,  працюють в режимі генераторів електричної енергії, а дросель  є споживачем енергії.

2.        . На цьому інтервалі ЕРС  та струм  співпадають за напрямком, а ЕРС  та   будуть мати напрямок протилежний струму . Отже електрична машина працює як генератор електричної енергії, а мережа та дросель - як споживачі електричної енергії.

3.        . На цьому інтервалі струм  починає спадати, а  отже ЕРС самоіндукції дроселя змінює свій напрям на протилежний. При цьому  ЕРС   та  співпадають за напрямком зі струмом , а ЕРС  та струм  будуть мати протилежні напрямки. Електрична машина та дросель працюють як джерела електричної енергії, а мережа змінного струму - як споживач енергії. Таким чином схема працює в інвертованому режимі на протязі інтервалу ,  де .

В момент часу  струм  спадає до нуля і тиристор починає виключатися. Починаючи з моменту  напруга на тиристорі на протязі інтервалу  буде негативною (рис.1.14, в). За цей час тиристор повинен поновити свої вентильні властивості. При зменшенні кута керування  тривалість   протікання струму   зростає, а тривалість кута  зменшується. Мінімальному значенню кута  відповідає граничний кут керування .

Найпростіший однофазний інвертор ведений мережею характеризується дуже низькими енергетичними показниками. Це обумовлено поганим використанням вихідного трансформатора та значним спотворенням форми струму як у колі змінного так і у колі постійного струму. З цієї причини інвертори ведені мережею, як правило будуються за багатофазними схемами.

 

Контрольні питання

1.        Чому дорівнює середнє значення напруги  та струму  однопівперіодного випрямляча при активному навантаженні?

2.        Чому дорівнює коефіцієнт потужності випрямляча ?

3.        За якою формулою визначається регулювальна характеристика   однопівперіодного випрямляча?

4.        Чому дорівнюють значення прямої та зворотної напруги на вентилі однопівперіодного випрямляча?

5.        Назвіть осносний недолік однопівперіодного випрямляча.

6.        Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій однопівперіодного випрямляча?

7.        За рахунок чого можна змінювати рівень вихідної напруги однопівперіодного керованого випрямляча?

8.        Яке призначення дроселя в колі постійного струму однопівперіодного випрямляча?

9.        Поясніть принцип дії однопівперіодного випрямляча при навантаженні.

10.   Як залежить тривалість протікання струму в колі навантаження однопівперіодного випрямляча від співвідношення ?

11.   Чим режим короткого замикання у схемі однопівперіодного випрямляча при навантаженні небезпечніший, ніж режим короткого замикання вторинної обмотки трансформатора без вентилів?

12.   Поясніть принцип дії однопівперіодного випрямляча при навантаженні.

13.   Як визначити моменти включення та виключення вентиля однопівперіодного випрямляча при навантаженні?

14.   Поясніть принцип дії однопівперіодного випрямляча при роботі на проти-ЕРС.

15.   За якої умови визначається тривалість протікання струму в колі однопівперіодного випрямляча при роботі на проти-ЕРС?

16.   Поясніть принцип дії однофазного інвертора веденого мережею.

17.   Чим розрізняються реживи випрямлення та інвертування однофазного  однопівперіодного керованого випрямляча?

18.   Чим характеризується режим перевертання інвертора веденого мережею?

19.   Чим визначається граничний кут керування  інвертора веденого мережею?

20.   Чи залежить час поновлення вентильних властивостей тиристора у схемі інвертора веденого мережею від кута керування?

1.2.2.        Однофазний випрямляч з нульовим виводом.

1.2.2.1.      Активне навантаження.

Такі випрямлячі використовують для малих навантажень. Тому, при аналізі можемо вважати, що , а як модель вентиля використовувати ідеалізований ключ (). Розглянемо процеси і розрахунок параметрів випрямляча для некерованого режиму . Еквівалентна схема і часові діаграми струмів і напруг мають вигляд, поданий на рис.1.15, а, б.

Рис. 1.15 Однофазний випрямляч з нульовим виводом: а) еквівалентна схема;

часові діаграми роботи на активне навантаження б) при ; в)  при

Випрямляч з нульовим виводом по суті є двофазним, оскільки вторинна обмотка трансформатора з нульовим виводом формує дві однакові за величиною, але протилежні за напрямом ЕРС  і ,. Вентилі  та  пропускають струм почергово. На протязі кожного півперіоду схема працює як однопівперіодний випрямляч з елементами ,, та ,, відповідно.

На відміну від однофазного однопівперіодного випрямляча в однофазному випрямлячі з нульовим виводом струм у навантаженні протікає двічі за період у тому ж самому напрямку. При цьому магніторушійні сили (MPC), що зумовлені постійними складовими струмів вторинних обмоток  направлені зустрічно. Тому в випрямлячі з нульовим виводом відсутнє вимушене підмагнічування осердя трансформатора.

 Електричні параметри цієї схеми визначають таким же чином, як і в однопівперіодному випрямлячі.

Середнє значення випрямленої напруги

.                 (1.37)

Діюче значення ЕРС половини вторинної обмотки

.                              (1.38)

Середнє значення випрямленого струму

,                                          (1.39)

де .

Із (1.39) випливає, що

.

Середнє значення струму вентиля

.

Діюче  значення  струму  вентиля, а також вторинної обмотки трансформатора

  (1.40)

Визначивши з (1.40) значення  і підставляючи його в (1.39), одержимо

.                                       (1.41)

Розрахункова потужність вторинних обмоток

,                 (1.42)

де .

Діюче значення струму первинної обмотки

                                     (1.43)

визначається за умови рівноваги МРС на протязі першого та другого півперіодів:   і . Для обох півперіодів  і тому струм первинної обмотки  має синусоїдальну форму. Таким чином, для діючого значення струму первинної обмотки можна записати

                   (1.44)

Підставляючи в (1.44) значення   одержимо

.                               (1.45)

Діюче значення напруги мережі

.                               (1.46)

З урахуванням виразів  (1.45) і (1.46) знаходимо розрахункову потужність первинної обмотки трансформатора

.                          (1.47)

Типова потужність трансформатора

.                                     (1.48)

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі

.                 (1.49)

Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги за основною гармонікою ()

.                                        (1.50)

Амплітуда основної гармоніки пульсацій визначається тільки косинусоїдальною складовою, оскільки крива  симетрична відносно осі ординат

(1.51)

Підставляючи (1.51) в (1.50) одержимо

.                                  (1.52)

Якщо у схемі на рис.1.15, а замість діодів  включити тиристори , то за рахунок зміни кута керування  можна змінювати рівень напруги на навантаженні. Розглянемо процеси у цій схемі для керованого режиму , часові діаграми для якого наведено на рис.1.15, в.

Середнє значення випрямленої напруги

              (1.53)

Вираз (1.53) являє собою регулювальну характеристику випрямляча.

Середнє значення випрямленого струму

.                                               (1.54)

Середнє значення струму вентиля

                                           (1.55)

Діюче значення струму вторинної обмотки, а також струму вентиля

,                                (1.56)

де  коефіцієнт форми кривої струму вентиля.

.                            (1.57)

Із збільшенням кута керування  коефіцієнт  зростає, що треба
враховувати при проектуванні стабілізованих випрямлячів.

Напруга на тиристорі  на інтервалі   дорівнює  а на інтервалі  вона становить

1.2.2.2.       Активно-індуктивне навантаження.

Схема однофазного випрямляча з нульовим виводом та активно-індуктивним навантаженням наведена на рис.1.16, а. Таке навантаження використовується для випрямлячів середньої і великої потужності. Тому будемо вважати, що .

Розглянемо спочатку роботу некерованого випрямляча () з ідеальними вентилями ( ). 

При дослідженні такого режиму роботи схеми можна виділити три характерних інтервали на періоді:

I.             - інтервал, на протязі якого струм протікає тільки через вентиль ;

II.          - інтервал, на протязі якого струм протікає одночасно через два вентилі  і ;

III.       - інтервал, на протязі якого струм протікає тільки через вентиль .

 На рис. 1.16, е наведено часові діаграми струмів і напруг для цих трьох інтервалів.

Рис. 1.16 Однофазний випрямляч з нульовим виводом та активно-індуктивним навантаженням: а) - г) еквівалентні схеми; д) - з) часові діаграми роботи

Розглянемо електромагнітні процеси на трьох інтервалах роботи схеми. Еквівалентна схема для І інтервалу має такий же вигляд, як і для однопівперіодного випрямляча (рис.1.11, а). У такій схемі струм  при нульових початкових умовах змінюється згідно з виразом (1.16). Характер закономірності струму  у схемі рис.1.16, а  аналогічний. Спочатку струм  зростає, а потім, досягнувши максимуму, починає зменшуватися (рис. 1.16, е).

Напруга на вітці навантаження ОК буде дорівнювати

.                             (1.58)

Напруга на виключеному вентилі

.                                    (1.59)

До точки досягнення струмом  максимуму (точка М  на рис. 1.16, е) ЕРС самоіндукції  протидіє зростанню струму, а  У точці М (рис.1.16,е)  і, відповідно до (1.58), ЕРС самоіндукції .

Після досягнення струмом  максимуму ЕРС самоіндукції  підсилює  дію ЕРС  , а тому  (рис. 1.16, е).

 У точці А (рис. 1.16, е)  тому згідно до виразу (1.59)  і вентиль  включається. Точка А є початком другого інтервалу роботи. У цій точці струм  задає початковий струм навантаження для II інтервалу роботи. Таким чином, для II інтервалу роботи треба враховувати:

1.        дію зовнішніх ЕРС  і , які змінюються за законом синуса в протифазі одна відносно іншої;

2.        енергію , яка накопичена у дроселі  до моменту початку комутації, і яка спричиняє в колі навантаження вільний струм  .

Тривалість другого інтервалу  називають кутом комутації. На протязі цього інтервалу струм у вентилі   спадає, а у вентилі   зростає. Як тільки струм  буде дорівнювати нулю, комутація струму з вентиля  на вентиль  закінчується.

Тривалість інтервалу комутації струму залежить від величини індуктивностей, які зумовлені потоками розсіювання обмоток трансформатора , . Оскільки величини  і  найчастіше малі, то і величина реактивного опору  є також малою. Тому струм у короткозамкнутому контурі з елементами  буде швидко спадати у вентилі  і швидко зростати у вентилі . В результаті тривалість інтервалу комутації буде невеликою.

На інтервалі комутації схема рис.1.16, а  є лінійною. Тому для II інтервалу можна застосувати метод накладання дії джерел ЕРС  і , а також джерела струму .

При визначенні дії джерел ЕРС  і , вітку навантаження ОК з елементами  можна не враховувати, оскільки вона має значно більший опір для змінного струму, ніж опори віток з елементами . При таких припущеннях одержимо розрахункову схему подану на рис. 1.16, б. Струм у цій схемі можна визначити з рівняння

.                                          (1.60)

Якщо відлік часу вести з моменту початку комутації, то  тому

                                  (1.61)

Рішення рівняння (1.61) у загальному вигляді

               (1.62)

де А - стала інтегрування.

Напруга на вітці навантаження (між точками 0 та К  рис.1.16, б) буде дорівнювати нулю, оскільки

, а .

На рис.1.16, в наведена схема для визначення дії джерела струму , яке зумовлене енергією накопиченою в індуктивності  до моменту початку комутації. При об’єднанні віток з елементами  схема набуває вигляду, показаному на рис. 1.16, г.  Струм у колі навантаження можна визначити з рівняння

.                                 (1.63)

Рішення рівняння (1.63) має вигляд

,                                       (1.64)

де  початкове значення струму , яке дорівнює струму   у момент початку комутації; стала часу електричного кола.

Струм у вентилях

                                               (1.65)

Напруга на вітці навантаження (між точками 0  та  К)

.                                             (1.66)

Струм   змінюється за експоненційним законом. Його форма залежить від величини сталої часу електричного кола . Чим більше величина  у порівнянні з опором , тим більш плавно змінюється крива  на інтервалі комутації (рис.1.16, д).

При . Якщо тривалість інтервалу комутації менша за величину , що дійсно для великих значень  то можна вважати, що струм  на інтервалі  змінюються за лінійним законом. При цьому величина на інтервалі комутації буде незмінною (лінія АВ на рис.1.16, е).

Підсумуємо дію джерел  та  і визначимо струми у вентилях і напругу на навантаженні

     (1.67)

Сталу інтегрування визначаємо з початкових умов

.                                 (1.68)

Таким чином, струми у вентилях і напруга на навантаженні в період комутації будуть такими

                  (1.69)

 

Інтервал комутації закінчиться у момент, коли струм  буде дорівнювати нулю. Після цього починається III інтервал, на протязі якого струм протікає тільки через вентиль . На цьому інтервалі відбуваються такі ж самі процеси, що і на І інтервалі.

При інженерних розрахунках величиною напруги на індуктивності  можна знехтувати, оскільки виконується умова . При такому припущенні крива напруги  співпадає з кривими ЕРС  і  для інтервалів I, III. На другому інтервалі крива  співпадає з віссю абсцис (лінія АВ на рис.1.16, ж).

Цьому режиму відповідають такі параметри  , де середнє значення випрямленого струму. Підставляючи ці параметри у систему рівнянь (1.69), для II інтервалу одержимо

                                    (1.70)

Тривалість інтервалу комутації визначається з першого рівняння системи (1.70) з урахуванням граничних умов :

                                           (1.71)

При зростанні струму  і збільшенні  величина кута  також зростає. Для випрямлячів малої потужності величина  незначна, а інтервал комутації  малий. Тому часто ним нехтують і вважають, що . Для випрямлячів середньої і великої потужності величиною  нехтувати не можна і треба враховувати інтервал комутації.

Зовнішня характеристика випрямляча.

У відповідності з рис.1.16, ж миттєві значення випрямленої напруги треба визначати як різницю

,                                            (1.72)

де  випрямлена напруга для ідеального режиму, при  частина випрямленої напруги, що втрачається внаслідок комутаційних процесів (рис. 1.16, ж).

Визначимо середнє значення випрямленої напруги

.                           (1.73)

Вираз (1.73) можна записати у вигляді

,                                          (1.74)

де .

З урахуванням (1.71)   тому

                                      (1.75)

Вираз (1.75) є зовнішньою характеристикою випрямляча з нульовим виводом у абсолютних одиницях.

Розглянемо розрахунок електричних параметрів випрямляча для режиму . Такий режим характерний для випрямлячів малої потужності. Оскільки , то кут комутації , а комутація струму з одного вентиля на інший у випрямлячі відбувається миттєво (рис.1.17, а).

Рис. 1.17Часові діаграми роботи керованого випрямляча з нульовим виводом при активно-індуктивному навантаженні:  а) кут керування ; б) кут керування .

Середнє значення випрямленої напруги  Діюче значення ЕРС вторинної обмотки

.                      (1.76)

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора та вентиля

.                (1.77)

Середнє значення струму вентиля

.                               (1.78)

Миттєве значення струму первинної обмотки без урахування струму намагнічування визначається з умови рівноваги МРС:

.

Отже, діюче значення цього струму

.                                (1.79)

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі

.                                  (1.80)

Розрахункова потужність вторинних обмоток трансформатора

.                     (1.81)

Розрахункова потужність первинної обмотки

.                 (1.82)

Типова потужність трансформатора

.                                  (1.83)

Струм у первинній обмотці трансформатора має несинусоїдальну форму і містить тільки непарні гармоніки ряду синуса:

            (1.84)

де  непарні цілі числа.

Діюче значення основної гармоніки струму первинної обмотки, рис.1.17

.   (1.85)

Коефіцієнт спотворення форми кривої струму первинної обмотки

.                                           (1.86)

Враховуючи, що кут зсуву фази основної гармоніки первинного струму по відношенню до напруги мережі дорівнює нулю , можна стверджувати, що коефіцієнт потужності

.

Розглянемо розрахунок електричних параметрів випрямляча для режиму  (керований режим), рис.1.17, б.

Як і в попередньому випадку комутація струму з одного вентиля на  інший відбувається миттєво,   тобто . Середнє  значення випрямленої напруги

,   (1.87)

де .

Вираз (1.87) являє собою регулювальну характеристику випрямляча.

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі як і у попередньому випадку дорівнює

.

Максимальне значення прямої напруги на вентилі

                                   (1.88)

Стрибок зворотної напруги на вентилі

.                                      (1.89)

Оскільки кут зсуву фази основної гармоніки первинного струму по відношенню до напруги мережі  , то коефіцієнт потужності

.                                            (1.90)

Решта інших параметрів така ж сама, як і у попередньому режимі. Розглянемо розрахунок електричних параметрів і зовнішньої характеристики для керованого режиму схеми з урахуванням комутації  (рис.1.18, а). Часові діаграми випрямленої напруги і струмів наведені на рис.1.18, б.

Рис. 1.18 Схема керованого випрямляча з нульовим виводом при активно-індуктивному навантаженні  а)  та  часові діаграми роботи з урахуванням процесів комутації вентилів б).

Закономірність зміни струмів у вентилях на інтервалі комутації визначається так само, як і у попередніх випадках - методом накладання дії джерел ЕРС ,  і джерела струму  (ідеальне джерело струму).

При дії ЕРС  і коло навантаження не враховується, оскільки , Тому рівняння рівноваги напруг (при комутації струму з вентиля VS2 на вентиль VS1)

          .                           (1.91)

Розв'язуючи рівняння (1.91), одержимо

.                                      (1.92)

При дії джерела струму  струми вентилів дорівнюють:

.

Накладаючи результати дії джерел ЕРС ,  і джерела струму  одержимо

                  (1.93)

Так як при  струм  вентиля VS1 , то з першого рівняння системи (1.93) знаходимо сталу інтегрування  Підставляючи значення сталої інтегрування А  в систему  (1.93) одержимо:

                      (1.94)

В момент струм вентиля VS2  , тобто

.

 Тоді будемо мати

.                            (1.95)

Втрати середнього значення випрямленої напруги внаслідок
комутації струмів у вентилях будуть дорівнювати

                     (1.96)

Враховуючи (1.95) одержимо

                                              (1.97)

Зовнішня характеристика для розглянутого режиму

.                          (1.98)

Подамо зовнішню характеристику у відносних одиницях, відносно   та .

Розділивши ліву і праву частини рівняння (1.98) на величину , одержимо

.                                  (1.99)

Перетворимо від'ємник в рівнянні (1.99) враховуючи, що

.                       (1.100)

У виразі (1.100) це напруга короткого замикання трансформатора у відносних одиницях, з урахуванням того, що трансформатор приведено до вторинної обмотки .

Введемо позначення , а також подамо напругу  у відсотках. Тоді рівняння (1.99) набуде вигляду

.                            (1.101)

Рівняння (1.101) подає зовнішню характеристику випрямлячів у
загальному вигляді у відносних одиницях. Воно дійсне і для інших
схем випрямлячів.

 

1.2.2.3.      Однофазний інвертор, ведений мережею, з нульовим виводом.

Розглянемо режими роботи керованого однофазного перетворювача з нульовим виводом, рис. 1.19, а, в колі постійного струму якого включено електричну машину постійного струму М.

Рис. 1.19 Перетворювач з нульовим виводом: а) схема; б) часові діаграми при роботі на проти-ЕРС; в) часові діаграми при роботі в інверторному режимі; г) зовнішня та вхідна характеристики

Машина постійного струму М може працювати або як двигун з проти-ЕРС (випрямляючий режим), або як генератор з ЕРС  (інверторний режим) з проти-ЕРС мережі  і .

Процеси при роботі у режимі випрямляча для такого перетворювача не відрізняються від процесів у випрямлячі при статичному активно-індуктивному навантаженні, які розглянуті раніше (див.рис.1.18, б). Це пояснюється тим, що на основі теореми про компенсацію при  ЕРС  можемо замінити резистором , тобто обидва пристрої працюють ідентично. Тому в них залежність  та навантажувальна характеристика  описують однаковими рівняннями:

                    (1.102)

.                           (1.103)

При невеликих кутах керування ЕРС  і , а також струми   і  у вторинних обмотках на протязі більшої частини півперіоду збігаються за напрямком, а  та  в колі постійного струму – протилежні (рис. 1.19, б). Тому енергія через трансформатор передається від мережі живлення до електричної машини.

Із виразу (1.103) випливає, що із збільшенням кута керування середнє значення випрямленої напруги зменшується. При  перший доданок рівняння (1.103) буде дорівнювати нулю, а величина  стає негативною. Якщо при цьому електричну машину перевести у генераторний режим (для цього треба змінити полярність ЕРС машини і прикласти до валу машини зовнішній механічний момент обертання), то перетворювач буде працювати у режимі інвертора, веденого мережею. Відповідні часові діаграми інверторного режиму наведено на рис. 1.19, в. Для цього режиму ЕРС  і  (на рис.1.19, а показані пунктиром), а також струми   і  в обмотках трансформатора на протязі більшої частини півперіоду протилежні за напрямом, а ЕРС  та струм  у колі постійного струму співпадають. При цьому енергія передається від електричної машини, що працює у генераторному режимі через трансформатор до мережі змінного струму.

У режимі випрямлення у колі споживання енергії роль проти-ЕРС виконував двигун постійного струму. У режимі інвертування у колі, де споживається енергія, роль проти-ЕРС виконують ЕРС  і  вторинних обмоток, тобто напруга мережі змінного струму. При цьому середнє значення напруги на виході перетворювача  (рис.1.19, в) має протилежний знак у порівнянні з режимом випрямлення.

Інвертори, ведені мережею, найчастіше характеризуються не кутом керування , а кутом випередження (рис.1.19, в). Тому, якщо в (1.102) і (1.103) підставити  одержимо основні характеристики інвертора, веденого мережею:

,                           (1.104)

 

.                              (1.105)

Вираз (1-105) являє собою вхідну характеристику інвертора.

Відзначимо характерні особливості режиму інвертування (рис.1.19, в).

1.        При  і збільшенні струму  згідно (1.104) збільшується кут комутації . В результаті цього зменшуються позитивні ділянки кривої , середнє значення , яке виступає як проти-ЕРС інвертора, збільшується. Вхідні характеристики інвертора будуть такими, як показано на рис.1.19, г.

2.        Стійкість роботи інвертора, як і у випадку найпростішого інвертора, веденого мережею, визначається мінімально допустимою величиною кута  , на протязі якого між анодом і катодом вентиля, після проходження його струму через нульове значення, зберігається негативна напруга і відновлюються вентильні властивості тиристора.

Як правило, треба, щоб , де час відновлення. вентильних властивостей тиристора. Якщо кут  став меншим за  настає аварійний режим - перевертання інвертора. Кут  пов'язаний з кутами  та   залежністю

.                                          (1.106)

3.        При збільшенні струму  кут  зростає, а отже, при  кут  зменшується. При певному значенні струму він може стати меншим від мінімального значення .  Ця умова  визначає допустимий струм інвертора у колі постійного струму . Перевищення цього струму веде до перевертання інвертора.

4.        Величини  і   взаємопов'язані між собою. Якщо із рівняння (1.104), враховуючи (1.106), визначити значення , а потім підставити його у рівняння (1.105), одержимо

.                                 (1.107)

Вираз (1.107) називають обмежувальною характеристикою інвертора, веденого мережею. На графіках вона є зеркальним відображенням відносно осі абсцис зовнішньої характеристики того ж самого перетворювача, що працює у режимі випрямляча, якщо кути  (інверторний режим) і  (випрямляючий режим) однакові за величиною. На рис.1.19, г наведені обмежувальні характеристики інвертора при  і (пунктирні лінії), а також вхідні характеристики інвертора для різних значень кута випередження . За допомогою цих характеристик при заданих кутах  і  можна визначити максимально допустимі значення  і . При переході від точки 1 до точки 2, при ,  та  максимально допустиме значення напруги  збільшується, а максимально допустиме значення струму  зменшується. Отже при збільшенні  за рахунок зменшення кута випередження  і збереженні обмежувального кута  незмінним,  зменшується.

 

Контрольні питання

1.        Чи є вимушене підмагнічування осердя трансформатора в схемі випрямляча з нульовим виводом? Чим це зумовлено?

2.        Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій однофазного випрямляча з нульовим виводом?

3.        Якою буде форма випрямленої напруги  та струму  при активному навантаженні для некерованого режиму  та керованого режиму  при активному навантаженні?

4.        За якою формулою визначається регулювальна характеристика   випрямляча з нульовим виводом при активному навантаженні?

5.        Чому дорівнюють значення прямої та зворотної напруги на вентилях  випрямляча з нульовим виводом?

6.        Чи залежить значення максимальної зворотної напруги на вентилях однопівперіодного випрямляча від кута керування ?

7.        Чи залежить значення максимальної прямої напруги на вентилях однопівперіодного випрямляча від кута керування ?

8.        Що таке кут комутації ? Чим визначається тривалість інтервалу комутації вентилів?

9.        Чи залежить середнє значення випрямленої напруги від кута комутації вентилів  ?

10.   За яких умов можна знехтувати кутом комутації вентилів ?

11.   Запишіть вираз для зовнішньої  характеристики  випрямляча з нульовим виводом з урахуванням комутаційних втрат.

12.   Чому дорівнює максимальне  значення прямої напруги на вентилях  випрямляча з нульовим виводом при навантаженні?

13.   Чому дорівнює максимальне  значення зворотної напруги на вентилях  випрямляча з нульовим виводом при навантаженні?

14.   За якою формулою визначається регулювальна характеристика  випрямляча з нульовим виводом при навантаженні?

15.   Чи впливають комутаційні процеси на рівень вихідної напруги випрямляча з нульовим виводом при навантаженні?

16.   За яких умов керований випрямляч переходить в режим інвертора веденого мережею?

17.   Як визначається кут випередження інвертора веденого мережею?

18.   Запишіть вираз для вхідної характеристики інвертора   веденого мережею з нульовим виводом.

19.   Як залежить середнє значення напруги на виході інвертора  від струму?

20.   Як залежить кут комутації вентилів  від струму навантаження?

21.   Що таке обмежувальна характеристика інвертора? Як вона зв'язана з зовнішньою характеристикою випрямляча?

1.2.3.        Однофазний мостовий випрямляч.

1.2.3.1.      Активне навантаження.

Еквівалентна схема випрямляча ()  подана на рис.1.20, а  та містить джерело синусоїдальної ЕРС  і комплект вентилів .

Рис. 1.20 Еквівалентна схема мостового випрямляча  а);

 часові діаграми його роботи на активне навантаження :

б) некерований режим ();  в)  керований режим ()

Синусоїдальна напруга подається на одну діагональ моста, а навантаження  підключається до іншої. Вентилі (катодна група) мають спільну точку катодів, а вентилі  (анодна група) мають спільну точку анодів.

У мостовій схемі струм попарно пропускають вентилі  або , які включені послідовно з навантаженням. У будь-який момент часу в катодній групі  струм буде пропускати той з вентилів, на аноді якого більш позитивний потенціал, а в анодній групі катод якого має більш негативний потенціал. Так, наприклад, при позитивному півперіоді ЕРС  (рис.1.20, а), анод вентиля  має найбільш високий потенціал, а катод вентиля найбільш низький. У цьому разі при подаванні від системи керування імпульсів керування на вентилі  джерело ЕРС  і навантаження утворюють замкнений контур, по якому буде протікати електричний струм  . На протязі негативної півхвилі ЕРС  катод вентиля  має найбільш низький потенціал, а анод вентиля найбільш високий. Отже, при наявності імпульсів керування на вентилях  у контурі  буде протікати електричний струм . При цьому в навантаженні струми  і   збігаються за напрямком, а в джерелі ЕРС  (у вторинній обмотці трансформатора) ці струми протікають у протилежних напрямках. Тому у мостовій схемі відсутнє вимушене підмагнічення осердя трансформатора.

Розрахунок електричних параметрів випрямляча для некерованого режиму , для якого часові діаграми подані на рис. 1.20, б, здійснюється аналогічно однофазному випрямлячеві з нульовим виводом. Наведемо тільки кінцеві результати:

Мостовий випрямляч має більш високий коефіцієнт використання трансформатора  у порівнянні  із схемою з нульовим виводом, а також у два рази менше значення зворотної напруги на вентилі. Струми у первинній і вторинній обмотках трансформатора є синусоїдальними. Тому по відношенню до живлячої мережі такий випрямляч сприймається як звичайне лінійне навантаження.

Розглянемо розрахунок електричних параметрів випрямляча для керованого режиму , часові діаграми для якого  наведено на рис.1.20, в.

Середнє значення напруги на навантаженні

.            (1.108)

Вираз (1.108), у якому  являє собою регулювальну характеристику .

Середнє значення випрямленого струму

                         (1.109)

де .

Середнє значення струму вентилів

,            (1.110)

де .

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі

.                                 (1.111)

Максимальне значення прямої напруги на вентилі

.                          (1.112)

Діюче значення струму вентиля визначимо, використовуючи коефіцієнт форми струму

.                              (1.113)

Визначимо коефіцієнт форми струму вентиля 

(1.114)

Із збільшенням кута регулювання  коефіцієнт  зростає, що треба враховувати при розрахунках стабілізованих випрямлячів.

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора

,                           (1.115)

де .

Діюче   значення   струму   первинної   обмотки   трансформатора, враховуючи, що,

.                                        (1.116)

Оскільки ,  а , то з урахуванням (1.116), одержимо

.                            (1.117)

Розрахункова потужність вторинної і первинної обмоток, а також типова потужність трансформатора, враховуючи, що

  (1.118)

Величина  , яка є складовою частиною виразу (1.118), із збільшенням кута керування  зростає, а тому зростає і типова потужність трансформатора. Отже розрахунок  для керованого режиму треба вести при максимальному значенні кута керування .

Визначимо діюче значення основної гармоніки струму первинної обмотки. Амплітуда косинусоїдальної складової

.              (1.119)

Амплітуда синусоїдальної складової

      (1.120)

Діюче значення струму першої гармоніки

.    (1.121)

Коефіцієнт спотворення форми кривої струму первинної обмотки,
враховуючи (1.117) і (1.121)

.                   (1.122)

З урахуванням того, що

,

коефіцієнт потужності випрямляча  визначається виразом

.                           (1.124)

Визначимо гармонічний склад випрямленої напруги. Амплітуди синусоїдальної і косинусоїдальної складових гармоніки з номером  визначаються з виразів

,                         (1.125)

                           (1.126)

Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги для тої гармоніки визначається за формулою

,     (1.127)

де функція змінних .

Коефіцієнт пульсацій для основної гармоніки

.                         (1.128)

1.2.3.2.      Активно-індуктивне навантаження.

Схема мостового випрямляча з активно-індуктивним навантаженням наведена на рис.1.21,а. Розглянемо роботу схеми за умови, що . За таких умов струм у навантаженні не має пульсацій, а перехід струму з однієї пари вентилів на іншу відбувається миттєво (). Часові діаграми струмів і напруг для цього режиму наведені на рис. 1.21, г.

На відміну від роботи на активне навантаження, у цьому режимі крива випрямленої напруги на інтервалі  має негативне значення. Це пояснюється тим, що енергія магнітного поля індуктивного навантаження підтримує незмінними струми у вентилях  і після переходу ЕРС  через нуль.

Рис. 1.21 Мостовий випрямляч знавантаженням: а) схема  випрямляча;

  б), в) - еквівалентні схеми для визначення комутаційних процесів; г) часові діаграми для керованого режиму без урахування комутаційних процесів ; д) часові діаграми для керованого режиму з урахуванням комутаційних процесів

Тому середнє значення випрямленої напруги, як і у схемі з нульовим виводом, дорівнює

            (1.129)

Вираз (1.129) описує регулювальну характеристику випрямляча.

Середнє значення струму вентиля

                              (1.130)

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора

                                (1.131)

Діюче значення струму первинної обмотки

                                     (1.132)

Типова потужність трансформатора

,          (1.133)

де  активна потужність навантаження при .

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі

                              (1.134)

Максимальне значення прямої напруги на вентилі

                      (1.135)

Стрибок зворотної напруги на вентилі (який може викликати
комутаційні перенапруги)

                         (1.136)

Фазовий зсув першої гармоніки струму мережі живлення  відносно напруги мережі , а діюче значення струму першої гармоніки  отже коефіцієнт потужності

                       (1.137)

Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги за тою гармонікою

 

             (1.138)

Розглянемо роботу схеми, яка наведена на рис. 1.21, а, з урахуванням комутації струму вентилів при . Часові діаграми для цього режиму роботу наведені на рис. 1.21, д. Початок координат тут суміщено з моментом включення вентилів VS2, VS3 і відповідно з початком комутації. В цей момент починається зменшення струму у вентилях VS1, VS4 і зростання струму у вентилях VS2, VS3. ЕРС вторинної обмотки . Застосуємо метод накладання дії джерела ЕРС  і  джерела струму  як і для схеми з нульовим виводом (відповідні  еквівалентні схеми наведені рис. 1.21, б  та 1.21, в). Для струмів у вентилях на інтервалі комутації справедливі наступні вирази

                              (1.139)

                        (1.140)

У момент закінчення комутації , , отже

.                          (1.141)

Середнє значення випрямленої напруги з урахуванням втрат при комутації  де втрати середнього значення випрямленої напруги з урахуванням виразу (1.141)

  (1.142)

Враховуючи (1.129) і (1.142), одержимо, вираз зовнішньої характеристики мостового випрямляча у абсолютних одиницях

.                           (1.143)

Струм у вторинній обмотці ва інтервалі комутації

.           (1.144)

У інші моменту часу . На рис. 1.21, д  наведено часову діаграму цього струму за період.

Закономірність зміни струму у первинній обмотці визначається за умови .

Коефіцієнт потужності наближено визначається як

.                                (1.145)

Вираз (1.145) отриманий за умови лінійної зміни струму  на інтервалі комутації, тому . Коефіцієнт спотворення буде таким самим, як і для попереднього режиму. Вираз для зовнішньої характеристики у відносних одиницях описується формулою (1.101), з урахуванням того, що коефіцієнт .

1.2.3.3.      Несиметричні мостові схеми при активно-індуктивному навантаженні.

Мостові випрямлячі, які побудовано за несиметричною схемою, у якій два тиристори замінено на діоди (рис. 1.22, а, 1.23, а) потребують більш простих систем керування і мають меншу вартість.

Розглянемо роботу несиметричної схеми, наведеної на рис.1.22, а  за умов  . Керовані вентилі цієї схеми  включають у моменти   і т.д. , а тривалість їх роботи дорівнює  (рис.1.22, б). Діоди  включаються у моменти  і т.д., тривалість їх роботи також дорівнює . На інтервалах тривалістю  одночасно пропускають струм пари вентилів, що знаходяться в одній стійці моста  або . Тому на протязі інтервалу  коло навантаження буде закорочено, а напруга на навантаженні дорівнюватиме нулю.

Рис. 1.22 Несиметричний мостовий випрямляч: а) схема випрямляча; б) часові драгами роботи без урахування процесів комутації; в) часові драгами роботи з урахуванням процесів комутації

Найважливіші електричні параметри схеми рис.1.22, а визначено у відповідності з часовими діаграмами, що наведені на рис.1.22, б.

;  ;  ;  ; 

;     ; 

;   

Розглянемо роботу схеми,  рис 1.22, а з урахуванням комутації струмів у вентилях. Будемо вважати, що . Часові діаграми струмів і напруг  для цього режиму роботи випрямляча наведені на рис 1.22, в.

Комутація струмів у тиристорах відбувається на інтервалах тривалістю  й починається у точках  і т.д. Кут  можна визначити з виразу, одержаного для симетричної схеми

.

Комутація струму у діодах відбувається на інтервалах тривалістю  та починається у точках   і т.д.  Кут  визначається з попереднього виразу при

.                                         (1.146)

Таким чином, тривалість інтервалів  та неоднакова. Середнє значення втрат випрямленої напруги, зумовлене комутацією струму у тиристорах , тому зовнішня характеристика у абсолютних одиницях

.                                (1.147)

Напруга на тиристорах визначається тими ж самими виразами, що й для симетричної схеми.

З урахуванням кутів комутації фазовий зсув першої гармоніки
струму   відносно напруги мережі можна приблизно визначається таким виразом:

,

а коефіцієнт потужності

.

Таким чином, коефіцієнт потужності несиметричної схеми буде більше, ніж для симетричної. Це пояснюється тим, що енергія, яка була накопичена у дроселі  в несиметричній схемі на протязі інтервалу   витрачається тільки в навантаженні , а не повертається до мережі живлення.

У несиметричній схемі, що наведена на рис.1.23, а при  керовані вентилі  включаються у моменти , і т. д., а некеровані  вентилі  у моменти  і т. д. В результаті тривалість роботи керованих вентилів дорівнює , а некерованих -  (рис. 1.23, б).

На протязі інтервалу  обидва діоди будуть включені і шунтують навантаження. При цьому струм у навантаженні підтримується за рахунок енергії, що була накопичена в дроселі , а випрямлена напруга на цьому інтервалі дорівнює нулю. Форма випрямленої напруги буде така ж, як і в схемі наведеній на рис.1.22, а. Тому середнє значення випрямленої напруги визначається виразом

.

Рис. 1.23 Несиметричний мостовий випрямляч: а) схема випрямляча; б) часові драгами роботи без урахування процесів комутації; в) часові драгами роботи з урахуванням процесів комутації

Середнє і діюче значення струмів тиристорів відповідно дорівнюють:

,                                     (1.149)

.                               (1.150)

Для діодів  будемо мати, відповідно:

,                                    (1.151)

.                               (1.152)

Для режиму  будуть мати місце процеси комутації (рис.1.23, в). Інтервал комутації  після входження у роботу тиристора може бути визначений з такого виразу:

,

а інтервал   із виразу (1.146).

Параметри  визначається таким чином, як і для несиметричної схеми, наведеної на рис.1.22, а.

З метою зменшення реактивної потужності, що споживається від  мережі живлення, а отже, й для покращення коефіцієнта потужності випрямляча, при роботі на навантаження з великою індуктивністю у симетричну мостову схему вводять нульовий вентиль , який шунтує навантаження (рис.1.24, а).

Рис. 1.24 Випрямляч з нульовим вентилем:

а) схема випрямляча; б) часові діаграми роботи

На рис.1.24, б наведено часові діаграми, які пояснюють принцип дії цієї схеми без урахування процесів комутації (). Нульовий вентиль включається у моменти  і т.д., коли ЕРС  змінює знак. На протязі інтервалу  нульовий вентиль , через який проходить струм , шунтує навантаження. Тому на цьому інтервалі випрямлена напруга дорівнює нулю, а перша гармоніка струму  первинної обмотки  має фазовий зсув відносно напруги мережі живлення на кут  (без нульового вентиля цей кут дорівнює ). Отже, введення нульового вентиля  підвищує коефіцієнт потужності випрямляча.

Середнє і діюче значення струму в нульовому вентилі відповідно дорівнюють:

,                                           (1.153)

.                                       (1.154)

Усі інші електричні параметри, крім струмів у вентилях, визначаються так само, як і для несиметричної схеми, наведеної на рис.1.22, а.  Струми у вентилях визначаються виразами (1.149) і (1.150). Зворотна напруга на нульовому вентилі визначається напругою на вторинній обмотці трансформатора (1.134).

1.2.3.4.      Активно-ємнісне навантаження.

При невеликих потужностях у навантаженні застосовують ємнісні
згладжувальні фільтри. Такими навантаженнями можуть бути радіоелектронні пристрої: аноди електронно-променевих трубок, електронні мікроскопи, рентгенівська апаратура, фотоелектронні помножувачі та ін. По відношенню до випрямляча таке навантаження має активно-ємнісний характер.

Розглянемо ідеалізований режим роботи некерованого випрямляча з  навантаженням, рис.1.25, а, та інженерну методику розрахунків за умови .

Рис. 1.25 Випрямляч з навантаженням: а) схема випрямляча; б) часові діаграми роботи; в) еквівалентна схема заміщення

Оскільки для трансформаторів малої потужності параметр  значно більший, ніж , то треба враховувати втрати потужності в обмотках трансформатора. Необхідно також враховувати втрати потужності на активному опорі відкритих діодів випрямляча.

Припускаючи, що , можна стверджувати, що напруга на конденсаторі буде незмінною, а отже і випрямлена напруга також буде постійною . Такий режим не буде відрізнятися від режиму роботи випрямляча на проти-ЕРС (наприклад, при заряджанні акумулятора). Часові діаграми струмів і напруг подані на рис.1.25, б.

На інтервалі , коли діоди  і  пропускають струм,  визначають з еквівалентної схеми, наведеної на рис.1.25, в з рівняння  :

.                                    (1.155)

Враховуючи, що  і позначивши   матимемо:

.                               (1.156)

Тривалість протікання струму у вентилях відповідав куту . Кут  називають кутом відсікання.

Струм  розподіляється у точці "К" (рис. 1.25, в) таким чином: змінна складова, яка дорівнює  буде проходити через конденсатор, який має нескінченно малий опір для усіх гармонік струму , а постійна складова  буде проходити через навантаження  .

Струм у колі навантаження визначається як середнє значення струму  за половину періоду

    (1.157)

де .

Вираз (1.157) можна подати у більш зручному вигляді

,                   (1.158)

де величина  є функцією кута відсікання. Величина  подана графічно на рис. 1.26, а.

Її також можна визначити, маючи експериментальні дані для випрямлячів такого класу:

,                                  (1.159)

де  для випрямлячів потужністю від 1 до 1000 Вт.

Таким чином, вибравши відношення , а також обчисливши за формулою (1.159) величину  із графіка, рис.1.26, а, визначають кут відсікання .

Рис. 1.26 Графічні залежності до розрахунку випрямлячів з активно-ємнісним навантаженням: а) кут відсікання; б) коефіцієнт максимального струму; в) коефіцієнт фазної ЕРС (В) та  коефіцієнт форми струму; г) коефіцієнт пульсацій; д) узагальнена зовнішня характеристика у відносних одиницях; е) сім'я коефіцієнтів фазної ЕРС

Усі інші електричні параметри визначають як функції кута відсікання, або функції параметра . Наведемо деякі з цих параметрів.

Максимальне значення струму вентиля:

                                  (1.160)

де коефіцієнт максимального струму, графік для якого наведено на рис.1.26, б.

Діюче значення ЕРС вторинної обмотки:

,                                     (1.161)

де коефіцієнт фазної ЕРС,  графік  для  якого  подано на рис. 1.26, в.

Діюче значення струму вентиля

,             (1.162)

де коефіцієнт форми струму

,

а його графік наведено на рис.1.26, в.

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора

.                                (1.163)

Типова потужність трансформатора

.   (1.164)

Типова потужність трансформатора досягає максимуму при куті відсікання . Тому рекомендують вибирати кут відсікання , що відповідає .

Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги за першою гармонікою
при кінцевому, але досить великому значенні ємності конденсатора

,                             (1.165)

де опір  визначається в омах, а  ємність  в мікрофарадах.

,

а його графік для різних значень  кратності пульсацій  подано на рис.1.26, г.

Зовнішня характеристика випрямляча визначається рівняннями

                         (1.166)

Якщо за базисні вибрати величини (для ) і  (для ), то систему (1.166) можна подати у відносних одиницях

Узагальнена зовнішня характеристика у відносних одиницях наведена на рис. 1.26, д. Ця характеристика стрімко спадає, а тому для таких випрямлячів не рекомендують змінювати навантаження оскільки напруга на виході випрямляча при цьому буде змінюватися дуже сильно.

Розглянута інженерна методика аналізу режимів роботи випрямляча буде дійсною, якщо відношення параметрів . Для більш потужних випрямлячів при   індуктивність  сприяє збільшенню тривалості протікання зарядного струму конденсатора. Це призводить до зміни форми кривої випрямленої напруги, а отже, і середнього значення випрямленої напруги. Внаслідок цього функція  змінюється.

 На рис.1.26, е наведено ряд функцій , які побудовані для різних значень кута .

 Зміни інших функцій з урахуванням кінцевого значення  відносно малі і їх при обчисленнях можна не враховувати.

1.2.3.5.      Помножувачі напруги.

Принцип роботи помножувачів напруги заснований на використанні кількох конденсаторів, кожен з яких заряджається від однієї обмотки трансформатора через відповідний вентиль. По відношенню до навантаження конденсатори підключені послідовно і їх напруги додаються. Такі випрямлячі застосовують для живлення високовольтних пристроїв малої потужності, які споживають незначний струм (кілька міліампер), таких як рентгенівські трубки, аноди високовольтних електронно-променевих трубок, електронні мікроскопи, фотоелектронні помножувачі і т. ін.

Розрізняють симетричні і несиметричні схеми помноження напруги.

Симетрична схема подвоєння напруги - схема Латура  складається з двох однопівперіодних випрямлячів (рис.1.27, а) .

Рис. 1.27 Симетрична схема подвоєння напруги:

а) електрична схема; б) часові діаграми роботи

Конденсатор  заряджається через діод . Під час першого півперіоду ЕРС , а конденсатор  через діод  під час другого півперіоду ЕРС . Якщо конденсатори однакові ,  напруга на навантаженні на холостому ході дорівнює . При наявності навантаження напруга на виході випрямляча буде меншою. Це пов’язано з тим, що заряджання одного з конденсаторів супроводжується одночасним розряджанням  іншого через опір навантаження . Якщо виконується умови  ,  де  період напруги мережі живлення, то  .

На рис.1.27, б  наведені  часові  діаграми  напруг  і  струмів у схемі Латура.

Випрямлена напруга має за період мережі  дві пульсації . Розрахунок подвоювача напруги можна провести за спрощеною методикою для випрямляча з навантаженням, яка розглянута раніше. При цьому розрахункову напругу треба брати у два рази меншого, ніж напруга на навантаженні, величини функцій  визначати при , а величину функції при . Максимальне значення зворотної напруги на вентилі в симетричній схемі подвоєння дорівнює сумі амплітуди ЕРС і середнього значення напруги на одному конденсаторі .

У несиметричній схемі подвоєння напруги, рис.1.28, а, два однопівперіодні випрямлячі живляться від різних за величиною напруг.

Рис. 1.28 Несиметричні схеми помножувачів напруги

В перший півперіод заряджається конденсатор  через діод  під дією ЕРС . В інший півперіод заряджається конденсатор  через діод  під дією сумарної ЕРС . В результаті напруга на конденсаторі  в режимі холостого ходу буде у два рази вищою, ніж на конденсаторі . Зворотна напруга на вентилі при холостому ході досягає величини подвоєної амплітуди ЕРС трансформатора. Частота пульсацій випрямленої напруги . Один з виводів вторинної обмотки трансформатора з'єднаний з негативним полюсом навантаження. Отже, можливе його заземлення.

Подальшим розвитком несиметричної схеми подвоєння напруги є схема помноження, що зображена на рис.1.28, б.  В цій схемі додані ланцюжки з вентилів і конденсаторів ,  і т.д. Схема може використовуватися і як подільник напруги. Напруга на конденсаторі  на холостому ході дорівнює , а на усіх інших конденсаторах. Ця схема помножує напругу джерела живлення у кілька разів. Це несиметрична схема помноження напруги другого роду.

На рис.1.28, в наведено схему несиметричного помноження напруги першого роду. Тут можливе помноження у 2...4 рази.

В наш час розроблені помножувачі, які дають на виході напругу у сотні кВ  та здійснюють помноження у десятки разів. Схеми помножувачів напруги можна побудувати без використання трансформаторів.

Контрольні питання

1.        Поясніть принцип дії однофазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження.

2.        Чому дорівнюють значення прямої та зворотної напруги на вентилях однофазного мостового випрямляча при активному навантаженні?

3.        Чому дорівнює середнє значення вихідної напруги однофазного мостового випрямляча при активному навантаженні?

4.        Запишіть вираз для регулювальної характеристики керованого мостового випрямляча  при активному навантаженні.

5.        Чому дорівнює середнє значення струму вентиля в однофазному мостовому випрямлячі при активному навантаженні?

6.        Чому дорівнює діюче значення струму вентиля в однофазному мостовому випрямлячі при активному навантаженні?

7.        Чи залежить коефіцієнт пульсацій мостового випрямляча від кута керування ?

8.        Поясніть принцип дії однофазного мостового випрямляча при роботі на навантаження.

9.        Запишіть вираз для регулювальної характеристики керованого мостового випрямляча  при навантаженні.

10.   Чому дорівнюють значення прямої та зворотної напруги на вентилях  однофазного мостового випрямляча при навантаженні.

11.   Як залежить фазовий зсув  першої гармоніки вхідного струму мостового випрямляча відносно напруги мережі від кута керування ?

12.   Чому дорівнює стрибок зворотної напруги на вентилях мостового випрямляча ?

13.   Зобразьте несиметричні однофазні мостові схеми випрямлячів.

14.   В яких схемах мостових випрямлячів (симетричних або несиметричних) фазовий зсув  першої гармоніки вхідного струму випрямляча відносно напруги мережі буде більшим і чому?

15.   З якою метою в схему однофазного мостового випрямляча включають нульовий вентиль ?

16.   За рахунок чого підвищується коефіцієнт потужності мостового випрямляча при включенні нульового вентиля ?

17.   Поясніть принцип дії однофазного мостового випрямляча при роботі на ємнісне навантаження.

18.   Як визначається кут відсікання θ в однофазному мостовому випрямлячі при роботі на ємнісне навантаження.

19.   Чи залежить  кут відсікання θ в однофазному мостовому випрямлячі при роботі на ємнісне навантаження від струму навантаження?

20.   Назвіть основні схеми помноження напруги, які можуть бути побудовані на базі випрямлячів.

21.   Поясніть принцип дії симетричної схеми подвоєння напруги (схеми Латура).

22.   Поясніть принцип дії несиметричної схеми подвоєння напруги.

1.3.   Трифазні випрямлячі.

Схеми випрямлячів трифазного струму застосовують в основному для живлення споживачів середньої і великої потужності. Первинна об­мотка трансформатора таких випрямлячів складається з трьох фаз, які з'єднані або зіркою, або трикутником. Вторинні обмотки трансформато­ра (їх може бути декілька) також є трифазними.

За допомогою спеціа­льних схем з'єднання вторинних обмоток і усього випрямляча можна одержати випрямлену напругу, у якої число пульсацій за період  крат­но трьом. При збільшенні числа пульсацій коефіцієнт пульсацій  зменшується, тому габаритні розміри і маса згладжувальних електричних фільтрів також зменшується, або взагалі відпадає пот­реба в них.

Випрямлячі трифазного струму рівномірно навантажують мережу трифазного струму і характеризуються високим коефіцієнтом використання трансформатора.

Схеми випрямлячів трифазного струму використовуються для живлення статичних навантажень з проти-ЕРС, а також динамічних і нелінійних навантажень.

1.3.1.        Трифазний випрямляч з нульовим виводом при активному навантаженні.

Складовою частиною складних схем випрямлячів трифазного струму є проста трифазна схема з нульовим виводом, яка запропонована Міткевичем. У схемі первинна і вторинна обмотки трансформатора з'єднані зіркою. Еквівалентну схему такого випрямляча зображено на рис.1.29, а. У ній не враховані індуктивності розсіювання і втрати потужності у трансформаторі, а також у вентилях.

Розглянемо некерований режим роботи випрямляча при . В ідеалізованій схемі комутація струмів у вентилях відбувається миттєво. При цьому у будь-який момент часу струм протікає тільки через один вентиль, анод якого має найбільш високий потенціал. Тривалість роботи кожного вен­тиля . Випрямлена напруга і струм містить трикратні пульсації за період (рис.1.29, б).

Рис. 1.29 Трифазний випрямляч з нульовим виводом:

а) еквівалентна схема; б) часові діаграми роботи; в) розподіл на­магнічуючих сил вздовж замкнених контурів магнітопроводу

Щоб визначити закон зміни струмів у первинній обмотці трансформатора  треба скласти рівняння рівноваги на­магнічуючих сил вздовж замкнених контурів магнітопроводу (рис. 1.29, в) і рівняння за першим законом Кірхгофа для трьох інтервалів періоду (рис. 1.29, б).

Для інтервалу ,  на протязі якого  , ці рівняння бу­дуть такими

                                  (1.167)

 Розв'язуючи рівняння системи (1.167), одержимо

,

де коефіцієнт трансформації.

Для інтервалу , на протязі якого , складаємо аналогіч­ні рівняння і розв'язуючи їх, одержуємо

.

Для інтервалу ,  на протязі якого , відповідно знаходимо

.

1.3.1.1.      Вимушене намагнічування осердя трансформатора.

Розглянемо розподіл намагнічуючих сил на стрижнях осердя трансформатора на протязі кожного з трьох інтервалів періоду.

На інтервалі

стрижень А            ;

стрижень В                                                 (1.168)

стрижень С            .

Таким чином на інтервалі , який складає 1/3 частину періо­ду мережі, на усіх стрижнях діють рівні за величиною некомпенсовані намагнічуючі сили, які співпадають за напрямом. Ці намагнічуючі сили викликають додаткові пульсуючі магнітні потоки  в стрижнях трансформатора однакового напрямку (рис.1.29, в). На протязі наступних інтервалів періоду  і  у стрижнях виникають аналогічні потоки.

Магнітні потоки, викликані некомпенсованими намагнічуючими силами на стрижнях, називають потоками вимушеного намагнічування. Некомпенсовані намагнічуючі сили, які визначаються на кожному стрижні величиною , містять сталу і змінну складову, частота якої кратна трьом. Отже і потік вимушено­го намагнічування містить сталу складову   і , частота якої при з'єднанні обмоток трансформатора зірка-зірка буде кратна трьом.

Потоки вимушеного намагнічування складають (20-25)% від основ­ного магнітного потоку трансформатора. Вони замикаються частково че­рез осердя, а частково через повітря і сталеву арматуру, яка оточує осердя трансформатора. В результаті осердя насичується, а в сталевій арматурі виникають теплові втрати за рахунок вихрових струмів, які наводяться змінною складовою потоку вимушеного намагнічування. На рис.1.30, а  наведено криву струму, що визначається сумарною намагнічуючою силою  з урахуванням вимушеного намагнічування, зумовленого сталою складовою .

Рис. 1.30 Вимушене намагнічування у схемі Міткевича: а) часові діаграми;

б) схема з’єднання обмоток для усунення вимушеного намагнічування

Внаслідок насичення осердя трансформатора струм холостого ходу значно збільшується за амплітудою, причому його форма стає несинусоїдальною. Збільшується також і площа петлі перемагнічування S. Внаслідок цього діюче значення струму х.х. зростає.

Треба зауважити, що струм х.х. містить гармонічні складові, які потрапляють до мережі живлення. Таким чином, явище вимушеного намагнічування осердя трансформатора у трифазному випрямлячі з нульовим виводом при з'єднанні обмоток зіркою призводить до небажаних наслідків, уникнути яких можна об'єднавши первинні обмотки у трикутник, а вторинні у зигзаг (рис.1.30, б).

При з'єднанні первинних обмоток три­кутником, змінна складова потоку вимушеного намагнічування з явно вираженою третьою гармонікою компенсується потоками, які утворюють струми вищих гармонік, частота яких кратна трьом. Ці струми містять­ся у струмах первинних обмоток трансформатора і замикаються через контур, що утворений цими обмотками. Розрахункова потужність транс­форматора при з'єднанні обмоток у трикутник не змінюється. При роз­щепленні вторинних обмоток трансформатора на дві рівні частини з по­дальшим з'єднанням шести обмоток способом зигзаг в осерді трансфор­матора усувається стала складова потоку вимушеного намагнічування. Але при цьому діюче значення вторинної ЕРС зменшується у порівнянні з ЕРС при з'єднанні зіркою:  .

1.3.2.        Шестифазний випрямляч з нульовим виводом.

Еквівалентна схема ідеалізованого шестифазного випрямляча з нульовим виводом наведена на рис.1.31, а. Часові діаграми струмів і напруг наведені на рис.1.31, б.

Крива випрямленої напруги  виділена жирною лінією. Кратність пульсацій випрямленої напруги по відношенню до частоти мережі дорівнює шести, отже, коефіцієнт пульсацій за основною гармонікою . Тривалість протікання струму у вентилях і вторинних обмотках трансформатора . Закон зміни струмів у первинних обмотках  визначається в результаті розв'язання рівнянь рівноваги намагнічуючих сил по контурам для кожного з шести інтервалів періоду, аналогічно трифазному випрямлячу з нульовим виводом. На рис.1.31,б наведено часові діаграми цих струмів.

Рис. 1.31 Шестифазний випрямляч з нульовим виводом:

а) схема випрямляча;   б) часові діаграми

Розглянемо сумарні намагнічуючі сили  на стрижнях А, В, С для кожного з шести інтервалів періоду.

Для інтервалу  (струм )

 (1.169)

Для інтервалу  (струм )

 (1.170)

На протязі наступних інтервалів процеси повторюються. Таким чи­ном, на стрижнях діють некомпенсовані намагнічуючі сили з потрійною частотою без сталої складової (рис. 1.31, б) . В результаті в стриж­нях осердя трансформатора виникає потік вимушеного намагнічування потрійної частоти однакового напрямку, який частково замикається по стрижням, а частково по сталевій арматурі, що оточує стрижні. Ці потоки називають однофазними потоками вимушеного намагнічування. Щоб запобігти їх виникненню, первинні обмотки трансформатора треба з'єд­нувати трикутником.

1.3.3.        Електричні параметри трифазних випрямлячів.

Визначимо в загальному вигляді електричні параметри для некерованих ідеалізованих випрямлячів з нульовим виводом, число фаз вторинної обмотки яких  кратне трьом, при активному навантаженні. Еквівалентна схема такого випрямляча наведена на рис.1.32, а.

·          Рис. 1.32 фазний випрямляч з нульовим виводом: а) – еквівалентна схема;

·          б) – часова діаграма випрямленої напруги

У відповідності до часової діаграми (рис.1.32, б) середнє значення випрямленої напруги дорівнює:

         . (1.171)

При  ;  при  ,де  діюче значення фазної ЕРС вторинної обмотки, .                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

Середнє значення випрямленого струму

                                 ,                                       (1.172)

де .

Щоб визначити коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги для будь-якої тої гармоніки, спочатку треба визначиш амплітуду тої гармо­ніки напруги . Оскільки крива  симетрична відносно осі орди­нат, вона містить тільки косинусоїдальні складові, тому

.        (1.173)

Таким чином, коефіцієнт пульсацій

.

Для схем з нульовим виводом , тому

.                                       (1.174)

Середнє значення струму вентиля

.                                  (1.175)

Максимальне значення зворотної напруги на вентилі визначається для кожного конкретного значення 

    при   ,            (1.176)

при  .                    (1.177)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Діюче значення ЕРС вторинної обмотки трансформатора

 ;                               (1.178)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

при  ;

при .

Діюче значення струму вторинної обмотки

     (1.179)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

При  .

При .

Діюче значення струму первинної обмотки також визначається для кожного конкретного значення .

При , користуючись часовою діаграмою (рис.1.29, б)

        (1.180)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

При                                      

.                                   (1.181)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Розрахункова потужність вторинної обмотки трансформатора

.                                             (1.182)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

При , ; при , .

Розрахункова потужність первинної обмотки трансформатора

                                      .                                  (1.183)

При , ; при , .

Типова потужність трансформатора

.                                 (1.184)

При , ; при , .

Керований режим треба розглядати для кожної конкретної трифаз­ної схеми. Для схеми Міткевича при активному навантаженні, згідно часовим діаграмам (рис.1.33, а, б) визначимо середнє значення випрямле­ної напруги при безперервному струмі у колі навантаження (рис.1.33, а) і при переривчастому струмі (рис.1.33, б).

Рис. 1.33 Часові діаграми керованого випрямляча за схемою Міткевича:

а) режим безперервного струму; б) режим переривчастого струму.

При безперервному струмі у колі навантаження,

        (1.185)

При переривчатому струмі у колі навантаження,

         (1.186)

При  випрямлена напруга дорівнює нулю.

1.3.4.        Трифазний мостовий випрямляч при активному навантаженні (схема Ларіонова).

У трифазному мостовому випрямлячі, еквівалентна схема якого наведена на рис.1.34, а послідовно з'єднані два трифазних випрямляючих блоки - анодний, з вентилями VS4, VS6, VS2 і катодний з вентилями VS1, VSЗ, VS5. Кожен з цих блоків повторює роботу трифазної схеми з нульовим виводом. Розглянемо ідеалізований режим  при активному навантаженні і . У схемі одночасно пропускають струм два вентилі: один з найбільш високим потенціалом анода відносно нульової точки вторинної обмотки трансформатора з катодної групи вентилів, а іншій - з найбільш низьким потенціалом катода з анодної групи вентилів. Так, наприклад, згідно часовим діаграмам струмів і напруг, наведеним на рис.1.34, б, на інтервалі , тривалістю , струм пропускають вентилі VS1 і VS6, на інтервалі  вентилі VS1 і VS2, на інтервалі  вентилі VSЗ і VS2 і т.д. Випрямлена напруга на інтервалі  визначається різницею фазних ЕРС  і , на інтервалі  - різницею ЕРС і  і т.д.

Рис. 1.34 Трифазний мостовий випрямляч: а) схема; б) часові діаграми для некерованого режиму ; в) часові діаграми для керованого режиму

 

Таким чином, випрямлена напруга  має шестикратні пульсації за період, тобто . Максимальне значення випрямленої напруги дорів­нює амплітуді лінійної напруги, тобто  , хоч тривалість роботи кожного вентиля така ж сама, як і у трифазній схемі з нульовим виво­дом, тобто .

У мостовому випрямлячі немає вимушеного підмагнічування осердя трансформатора, оскільки струм у вторинній обмотці такої ж самої форми протікає двічі за період у протилежних напрямках. В результаті форма струму первинної обмотки  повторює форму струму вторинної обмотки  , оскільки .

Електричні параметри трифазної мостової схеми розраховуються за методикою, яка раніше розглянута у загальному вигляді для багато­фазних випрямлячів з нульовим виводом. Треба тільки враховувати, що , а також замість фазної ЕРС  враховувати лінійну ЕРС . Отже, при такому ж значенні ЕРС вторинної обмотки трансформатора , як і в трифазній схемі з нульовим виводом і кутом керування  середнє значення випрямленої напруги  в два рази більше, або при такому ж значенні  в обох схемах, значення  в мос­товій схемі буде у два рази меншим, тобто, буде дорівнювати .

 При визначенні діючого значення струму вторинної обмо­тки, враховуючи, що форма цього струму близька до прямокутної, можна вважати, що . Враховуючи ці особливості електричні параметри трифазного мостового випрямляча при активному навантаженні будуть такими:

 Для покращення форми кривої струму первинної обмотки доцільно фази з'єднувати трикутником. При цьому лінійний струм  (рис.1.34, б), який дорівнює різниці фазних струмів , має безперервний характер, внаслідок чого відносний вміст вищих гармонік зменшується.

Керований режим. , характеризується двома діапазонами зміни кута керування:

5.       режим безперервного струму у колі навантаження,

6.        режим переривчастого струму у колі навантаження.

При переході до режиму переривчастого струму, тобто при , не можна використовувати короткі імпульси керування тиристорами, оскільки при включенні кожного наступного тиристора інший тиристор, який повинен працювати з ним у парі, буде уже виключений. Тому сис­тема керування тиристорами повинна або виробляти один "широкий" імпульс керування за період, тривалістю , або два коротких імпульси, які слідують один за одним через . Тільки у цьому разі можна забезпечити переривчастий характер струму у кожному вентилі на інтервалі .

На рис.1.34, в  наведено криві випрямленої напруги для трьох значень кута керування .

При кутах керування  середнє значення випрямленої напруги (рис.1.34, в)

(1.187)

При кутах керування  (рис.1.34, в) середнє значення випрямленої напруги:

.       (1.188)

Із останнього виразу випливає, що при , середнє значення випрямленої напруги дорівнює нулю.

Трифазний мостовий випрямляч, у порівнянні з розглянутими раніше, має такі переваги:

·          відсутні потоки вимушеного підмагнічування осердя трансформатора;

·          менша у порівнянні із схемою Міткевича величина   на вентилі при тому ж самому значенні ;

·          хороший коефіцієнт використання трансформатора ;

·          малий коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги.

1.3.5.        Трифазні випрямлячі з активно-індуктивним навантаженням.

1.3.5.1.      Трифазна схема з нульовим виводом.

У залежності від форми струму у колі навантаження розрізняють

·          режим переривчастого струму;

·          режим безперервного, але пульсуючого струму;

·          режим ідеально згладженого струму.

Форма струму у колі навантаження залежить від співвідношення параметрів кола навантаження  і величини кута керування , де ,  кутова частота напруги мережі живлення.

Якщо , то при будь яких кутах керування  струм  у колі навантаження можна вважати ідеально згладженим. Розглянемо більш докладно цей режим.  За умови  струм у навантаженні .

Трифазні випрямлячі з активно-індуктивним навантаженням найчас­тіше використовують для середніх і великих навантажень (порядку де­сятків і сотень кіловат). У еквівалентних схемах таких випрямлячів треба у першу чергу враховувати реактивний опір розсіювання обмотки трансформатора , оскільки активний опір обмотки трансформатора  має незначну величину і при інженерних розрахунках його можна не враховувати.

Враховуючи перераховані особливості, еквівалентна схема трифазного випрямляча  з нульовим виводом при  має вигляд, наведений на рис. 1.35, а.

Рис. 1.35 Трифазний випрямляч з нульовим виводом з активно-індуктивним навантаженням: а) схема випрямляча; б) еквівалентна схема для визначення комутаційних процесів; в) комутаційний контур з джерелами ідеальних ЕРС ;       г) часові діаграми роботи з урахуванням комутаційних процесів; д) часові діаграми роботи без урахування комутаційних процесів; е) схема випрямляча з нульовим вентилем; ж) часові діаграми роботи випрямляча з нульовим вентилем

Визначимо закон зміни струму у вентилях. Наявність індуктивнос­тей в контурах комутації обумовлює перехід струму з одного вентиля на інший на протязі певного проміжку часу, який визначається кутом комутації . На інтервалі комутації струму у вітках з ЕРС  і  еквівалентна схема має вигляд, наведений на рис.1.35,б. У цій схемі діють ідеальні джерела синусоїдальних ЕРС  і , які мають фазовий зсув , а також ідеальне джерело струму .

Струм у вентилях виз­начимо методом накладання дії джерел ЕРС і джерела струму. При дії тільки ЕРС  і , вважаючи джерело струму ідеальним (внутрішній опір дорівнює нескінченності), струм у контурі (рис.1.35, в) визначається з рівняння

                                  ,                                       (1.189)

де . Згідно часовій діаграмі (рис.1.35, г) будемо вважати, що кут  і комута­ція починається з моменту .

Розв'язавши рівняння (1.189), одержимо

          .                              (1.190)

Струм у вентилях буде відповідно дорівнювати . Випрямлена напруга

                        .                    (1.191)

В наслідок дії джерела струму  струм у вентилях буде дорівнювати , а випрямлена напруга .

Застосовуючи метод накладання, визначимо струм у вентилях і випрямлену напругу

.

Підставляючи відповідні значення складових, одержимо

                                                      (1.192)

Стала інтегрування А визначається з урахуванням початкових умов :

                              .                               (1.193)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Підставляючи (1.193) в (1.192) одержимо

                                              (1.194)

Кут комутації визначимо з умови ,

                               .                           (1.195)

Миттєве значення напруги на індуктивності  в період комутації

                             .            (1.196)

Середнє значення втрат випрямленої напруги в період комутації

                    .         (1.197)

Підставляючи (1.195) в (1.197) одержимо

                                       .                                    (1.198)

Зовнішня характеристика випрямляча

          ,            (1.199)

 де середнє значення випрямленої напруги при , форма якої показана на рис.1.35, д.

Вираз зовнішньої характеристики у відносних одиницях (1.101) справедливий і для трифазних випрямлячів. Для схеми Міткевича числове значення коефіцієнта А = 0,87.

Напруга на вентилі VS2 показана на рис.1.35, в. Закономірності зміни цієї напруги на окремих інтервалах такі:

У точці  стрибок напруги на вентилях .  Максимальна зворотна напруга , максимальна пряма напруга .

Із збільшенням кута керування , фазовий зсув основної гармоні­ки струму первинної обмотки  (рис.1.35, д) збільшується, а коефіцієнт потужності  зменшується. Для покращення  паралельно нава­нтаженню включають нульовий вентиль (рис.1.35, е). На  рис.1.35, ж  наведено­ часові діаграми для режиму .

Струм через нульовий вентиль  підтримується за рахунок енергії, яка накопичена в індуктивності. При кутах керування  при спаданні фазної ЕРС до нуля тиристори вимикаються, а струм на інтервалі тривалістю  проходить через нульовий вентиль . Так як нульовий вентиль  при цьому шунтує коло навантаження, то напруга на навантаженні .

Існують і інші способи покращення коефіцієнта потужності , пов'язані з компенсацією реактивної потужності за допомогою спеціа­льних пристроїв.

1.3.5.2.      Подвійний трифазний випрямляч з вирівнювальним реактором (дроселем).

Ця схема запропонована Кюблером і носить його ім'я. У схему Кюблера входить два трифазних випрямляча, що живляться від різних трифазних вторинних обмоток трансформатора, кожна з яких з'єднана зіркого (рис.1.36, а).

Системи ЕРС вторинних обмоток мають фазовий зсув одна відносно одної на . Первинні обмотки трансформатора з'єднують або зіркою, або трикутником.

У схемі є вирівнювальний реактор (дросель) , який має велику індуктивність. Він забезпечує незалежну роботу три­фазних випрямлячів, які по відношенню до навантаження з'єднані пара­лельно. Внаслідок цього тривалість роботи кожного вентиля така ж сама, як і в трифазній схемі з нульовим виводом, але частота пульсацій випрямленої напруги у шість разів перевищує частоту живлячої мережі.

Схема з вирівнювальним реактором застосовується для живлення випрямленою напругою споживачів великої потужності, для яких однією з головних вимог є забезпечення високого ККД. У цьому відношенні схема Кюблера має перевагу перед мостовою схемою, у якій послідовно з навантаженням завжди включено два вентилі.

Проте максимальне значення зворотної напруги на вентилях у схе­мі з вирівнювальним реактором більше, у порівнянні з мостовою схемою.

Часові діаграми струмів і напруг схеми Кюблера для режиму  наведені на рис.1.36, б.

Рис. 1.36 Подвійний трифазний випрямляч з вирівнювальним реактором (схема Кюблера): а) схема випрямляча; б) часові діаграми; в) еквівалентна схема трансформатора та часові діаграми роботи випрямляча при ;  г) зовнішня характеристика випрямляча; д) еквівалентна схема трансформатора для визначення намагнічуючих сил

За умови ідеалізованих параметрів елементів схеми комутація струмів здійснюється тільки між вентилями одного трифазного випрямляча. Отже, у кожному трифазному випрямлячі у будь-який момент часу струм пропускає тільки один вентиль. Тривалість роботи кожного вентиля .

Враховуючи, що системи трифазних напруг вторинних обмоток зсунуті на кут , у схемі одночасно пропускають струм два вен­тилі. Наприклад, на інтервалі  одночасно пропускають струм вентилі VS1 і VS6, на інтервалі вентилі VS1 і VS2, на інтервалі вентилі VS3 і VS2 і т.д. При цьому різниця фаз­них ЕРС анодних кіл, що одночасно пропускають струм, урівноважується проти-ЕРС вирівнювального реактора. На рис. 1.36, б ця різниця показана заштрихованими ділянками. Так, наприклад, якщо одночасно пропускають струм вентилі VS1 і VS2 на інтервалі , напруга, що прикладена до вирівнювального дроселя, буде дорівнювати . На часовій діаграмі ця напруга зображена у вигляді лінії . Для наступного інтервалу   , а на діаграмі їй відповідає лінія , і т.д.

Напруга , що прикладена до вирівнювального реактора, має приблизно трикутну форму і змінюється з потрійною частотою по відношенню до частоти мережі живлення.

Струм намагнічування вирівнювального дросе­ля  протікає у контурі, який складається з працюючих вентилів, відповідних обмоток трансформатора і обмотки вирівнювального дроселя. Якщо не враховувати втрати у цьому контурі, то струм  буде зсунутий за фазою відносно напруги  на кут  в бік відставання. Струм  накладається на струм працюючих вентилів і змінює їх форму. У зв'язку з цим у струмах вентилів з'являються пульсації потрійної частоти. При цьому струм навантаження, до якого струм  практично не потрапляє, цієї пульсації не має.

Випрямлену напругу у колі навантаження можна визначити за допомогою рівнянь для двох контурів, наприклад на інтервалі :

                                         (1.200)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               

Обидві половини обмоток вирівнювального реактора однакові, тому  і додаючи рівняння (1.200) одержимо

.                                            (1.201)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

У відповідності з (1.201) на рис.1.36, б наведено часову діаграму випрямленої напруги.

При малих струмах навантаження, якщо амплітудне значення струму намагнічування реактора  стає більшим, від максимального значення струму вентиля однієї фази випрямляча , де критичне значення струму навантаження, реактор перестає виконувати функцію розділення фаз. Схема стає звичайною шестифазною схемою з нульовим виводом. Тривалість роботи вентилів зменшується до величини, яка визначається кутом . Еквівалентна схема трансформатора та часові діаграми роботи випрямляча для цього режиму наведені на рис.1.36, в.  При з'єднанні первинної обмотки зіркою виникає змінний магнітний потік вимушеного підмагнічування потрійної частоти. Він зумовлений змінними некомпенсованими намагнічуючими силами на кожному стрижні осердя трансформатора, які дорівнюють . Цей потік, аналогічно потоку розсіювання, наводить в обмотках  додаткові ЕРС. Таким чином, ЕРС в обмотках , зумовлена потоками розсіювання і потоками вимушеного підмагнічування, буде збільшуватися у порівнянні з подвійним трифазним режимом схеми Кюблера. Отже, середнє значення втрат випрямленої напруги у шестифазній схемі буде більшим і нахил зовнішньої характеристики  стрімкішим (рис.1.36, г). Коефіцієнт, що визначає нахил зовнішньої характеристики дорівнює . Для випрямляча з вирівнювальним реактором при роботі із струмами навантаження  цей коефіцієнт становить  .

У схемі Кюблера потоку вимушеного намагнічування немає. Це пояснюється тим, що на всіх інтервалах тривалістю  випрямлений струм одночасно про­тікає у двох вторинних обмотках, які розташовані на різних осердях. Наприклад, на інтервалі  (рис. 1.36, б) одно­часно протікають струм  в обмотці , розміщеній на стрижні А, і струм  в обмотці , розміщеній на стрижні С. Це призводить до повної компенсації намагнічуючих сил на кожному стрижні. Дійсно, для цього інтервалу у відповідності зі схемою, що наведена  на рис.1.36, д, справедлива така система рівнянь:

                                       (1.202)

де .

Розв'язавши систему (1.202), одержимо

.

Складемо рівняння для намагнічуючих сил, що діють у стрижнях:

      (1.203)                                        

Таким же чином визначаються результуючі намагнічуючі сили у стрижнях для усіх інших інтервалів періоду. Вони також дорівнюють нулю.

Шестифазний режим для схеми Кюблера є аномальним. Щоб запобігти виникненню такого режиму, вирівнювальний реактор (дросель) треба шунтувати баластним резистором, або живити від спеціального генератора, який працює на потроєній частоті.

Основні електричні параметри схеми Кюблера для режиму:

;

.

1.3.5.3.      Компенсаційні випрямлячі.

На рис.1.37, а приведена найпростіша трифазна схема компенсаційно­го випрямляча з покращеним коефіцієнтом потужності. Ця схема є базовим елементом складних компенсаційних схем, запропонованих в Київ­ському політехнічному інституті акад. І.М.Чиженко та проф. В.С.Руденко. В порівнянні зі звичайною трифазною схемою з нульовим виводом вона містить трифазний вирівнювальний реактор  та трифазну групу конденсаторів , що дозволяє змінити характер процесу комутації струму з одного вентиля на інший. Комутація в цьому випадку може здійснюватись раніше ніж в простій трифазній схемі (до точки  на рис.1.37, б, для якої ). Це пояснюється тим, що в компенсаційній схемі в процесі комутації, окрім фазних ЕРС, бере участь також заряджений конденсатор, що міститься в контурі комутації.

Якщо індуктивність згладжувального дроселя  та вирівнювального реактора  нескінченно великі, а індуктивність розсіювання  дорі­внює нулю, то анодні струми  будуть прямокутної форми. При цьому струм навантаження  поділяється трифазним вирівнювальним реактором на три рівні долі . Якщо струм пропускає  вентиль VS1, то струм навантаження, розділяючись вирівнювальним реактором, буде протікати через конденсатори  та  (рис.1.37, а) та заряджає їх. Струм через конденсатор  не буде протікати до тих пір, поки пропускає струм вентиль VS1. На протязі роботи  вентиля VS1 конденсатор  заряджається так, що його ЕРС, складається з ЕРС .  При куті керування  комутація буде відбуватися  в точці  (рис.1.37, б) , яка відповідає рівнянню  .

Рис. 1.37 Компенсаційні випрямлячі: а) базова  схема; б) часові діаграми для базової схеми; в) подвійна схема; г) часові діаграми для подвійної схеми

 

Так як точка  зсунута вліво відносно моменту, для якого , то дана схема буде мати менший кут  зсуву фаз поміж вхідним струмом та напругою мережі живлення. Цей кут може дорівнювати нулю, а може змінити знак і схема буде працювати в ємнісному режимі, тобто основна гармоніка струму в первинній обмотці буде випереджати за фазою її напругу.

 Щоб здійснити різні режими, необхідно підібрати відповідні величини ємностей конденсаторів, що дозволяє змінювати місцезнаходження точки комутації  в ту чи іншу сторону. За допомогою перемикання конденсаторів в схемі можна регулювати величину середнього значення випрямленої напруги в певному діапазоні.

При застосуванні системи управління можна здійснити регулюван­ня випрямленої напруги в широкому діапазоні. При цьому випрямляч мо­же генерувати реактивну потужність (поводити себе як активно-ємнісне навантаження), споживати реактивну потужність із мережі (поводити себе як активно-індуктивне навантаження), або працювати з коефі­цієнтом потужності, що дорівнює одиниці (вести себе як активне навантаження).

Слід зауважити, що реактивна потужність, яку генерує трифазний компенсаційний випрямляч, не набагато більша потужності конденсато­рів компенсаційного пристрою. Відношення цих потужностей зветься коефіцієнтом ефективного використання конденсаторів та дорівнює .  Тому ця схема з точки зору генерування реактивної потужності неефекти­вна. Більш ефективно використовується трифазний комутаційний прист­рій в схемах випрямлячів з  і більше.

В промисловості застосовується подвійний трифазний випрямляч (рис.1.37, в) з вирівнювальним реактором та трифазним компенсуючим при­строєм. Він являє собою паралельне з'єднання двох трифазних компенсаційних випрямлячів, які по відношенню до загальних для них компен­суючих конденсаторів є джерелами струмів прямокутної форми  та , що зсунуті між собою за фазою на (рис.1.37, г). Результуючий струм в конденсаторі   має таку ж форму, як і в простому трифазному випрямлячі, але частота його в два рази більша. Амплітудне значення струмів конденсаторів, як і в найпрості­шій схемі, дорівнює . Проінтегрувавши струм , визначимо напругу на конденсаторах . Вона також буде подвійної  частоти.

Таким чином, якщо в простому і подвійному трифазних компенса­ційних випрямлячах потрібен один і той же випереджаючий кут зсуву фаз , що відповідає однаковій максимальній напрузі на конденсато­рах, у подвійній схемі   величина ємностей повинна бути зменшена вдвічі. При цьому також вдвічі зменшується необхідна потужність конденсаторів. В подвійному випрямлячі  потуж­ність, що генерується збільшується вдвічі через подвоєння струму навантаження. Коефіцієнт ефективності використання конденсаторів в подвійному три­фазному компенсаційному випрямлячі в чотири рази більше ніж в простому трифазному.

В більш складних схемах компенсаційних випрямлячів конденсатори використовуються ще ефективніше. Наприклад, при  коефіцієнт ефективності використання конденсаторів  збільшується в порівнянні з простою трифазною схемою в 16 разів.

1.3.5.4.      Трифазний мостовий випрямляч.

Розглянемо керований режим роботи випрямляча при . За таких ідеалізованих умов струм у колі навантаження ідеально згладжений і є безперервним у всьому діапазоні регулювання. Комутація струмів у вентилях відбувається миттєво.

При  у кривій випрямленої напруги з'являються негативні ділянки (рис.1.38, а). Середнє значення випрямленої напруги:

.                                              (1.204)

Із виразу (1.204) випливає, що максимальний кут регулювання  дорівнює . Коефіцієнт потужності

.                                       (1.205)

Рис. 1.38 Мостовий випрямляч з навантаженням:

а) часові діаграми роботи схеми без нульового вентиля; б) часові діаграми роботи схеми з нульовим вентилем;  в) схема випрямляча з нульовим вентилем

Для підвищення коефіцієнта потужності у схему вводять нульовий вентиль , який вступає в роботу при  кутах керування , тобто у той момент коли миттєве значення випрямленої напруги змінює знак (рис.1.38, б). Через вентиль  починає протікати струм навантаження, а напруга на навантаженні при цьому дорівнює нулю.

На інтервалі роботи нульового вентиля, наприклад , утворюється короткозамкнений контур  (рис.1.38, в), у яко­му під дією результуючої ЕРС  у точці  виникає нескінченно великий струм , який направлений назустріч струмам вентилів VS6 і VS5 та збігається за напрямком зі струмом нульового вентиля . Тому струми  та  миттєво закінчуються. У точці  включається вен­тиль VS1 і повторно VS6 (керуючі імпульси на тиристори мають бути подвійними із фазовим зсувом один відносно одного ). Внаслідок цього струм у вентилях, а отже і в обмотках трансформатора має пере­ривчастий характер. На інтервалах роботи нульового вентиля струми в обмотках трансформатора дорівнюють нулю. Завдяки цьому не відбуває­ться передавання реактивної енергії, що накоплена у магнітному полі дроселя  до мережі живлення. На вказаних інтервалах накопичена реактивна енергія передається до навантаження . Завдяки цьому коефі­цієнт потужності випрямляча підвищується. Його величину можна визна­чити з виразу:

.                                 (1.206)

Найважливіші електричні параметри схеми без нульового вентиля будуть такими:

1.3.5.5.      Зовнішня характеристика трифазного мостового випрямляча.

Для керованих випрямлячів найчастіше будують сімейство зовніш­ніх характеристик , оскільки графік характеристики залежить від кута керування .

 Визначимо ці характеристики за таких умов  . Треба враховувати, що графік зовнішньої характеристики залежить від тривалості протікання струму через кожен з вентилів . Величина  у свою чергу залежить від кількості вентилів, які одночасно пропуска­ють струм. Якщо струм у навантаженні близький до номінального, у схемі випрямляча одночасно пропускають струм два або три вентилі. При цьому кут комутації  і . При збільшенні струму зростає кут комутації вентилів . При цьому інтервал одночасної роботи трьох вентилів збільшується, а інтер­вал одночасної роботи двох вентилів скорочується. Потім наступає другий режим одночасної роботи трьох вентилів, для якого .

Подальше збільшення струму навантаження призводить до виникне­ння третього режиму, коли одночасно пропускають струм або три вентилі, або чотири. При цьому . Із збільшенням струму наван­таження інтервал одночасної роботи чотирьох вентилів розширюється і при короткому замиканні навантаження у випрямлячі у будь-який момент часу одночасно пропускають струм чотири вентилі ().

Розглянемо усі три режими окремо. Для кожного з цих режимів розрахуємо зовнішню характеристику , а потім побуду­ємо загальну зовнішню характеристику випрямляча.

Режим  На рис.1.39, а, б наведено еквівалентну схему і часові діаграми для цього режиму. На інтервалі одночасної роботи двох вентилів, наприклад VS1 і VS2, миттєве значення випрямленої напруги дорівнює , а струми у вентилях незмінні і дорівнюють .

Для визначення закону зміни струмів у вентилях і випрямленої напруги на інтервалі одночасної роботи трьох вентилів, наприклад VS1, VS2, VS3, треба розглянути еквівалентну схему для цього інтервалу (рис.1.39, в). На протязі цього інтервалу відбувається комутація струму з вентиля VS1 на вентиль VS3, а тривалість цього режиму дорівнює .

Рис. 1.39 Режими роботи трифазного мостового випрямляча:

а) схема випрямляча; б) часові діаграми роботи при ;

 в), г)  еквівалентні схеми випрямляча для комутаційного інтервалу

Миттєві значення ЕРС, відповідно до часової діаграми, яка наведена на рис.1.39, б:

                                  (1.207)

Будемо вважати, що комутація починається з моменту , тобто кут керування . У відповідності до еквівалентної схеми, що зображена на рис.1.39, в  можна записати наступні рівняння

                               (1.208)

Враховуючи те, що, одержимо:

.                           (1.209)

Розв'язок рівняння (1.209)

.             (1.210)

Стала інтегрування  А  визначається з початкових умов ():

.                        (1.211)

У відповідності до еквівалентної схеми, наведеної на рис.1.39,в , отже струми у вентилях VS1 і VS3, на інтервалі комутації визначаються наступними виразами:

                    (1.212)

В кінці інтервалу комутації, коли , тому

.                            (1.213)

Вираз (1.213) визначає взаємозв'язок між кутом комутації  та струмом навантаження , амплітудою ЕРС вторинної обмотки , індуктивним опором , зумовленим потоками розсіювання обмоток трансформатора, при заданому куті керування . При збільшенні струму наван­таження  кут комутації  зростає.

Визначимо середнє значення випрямленої напруги . На рис.1.39, г наведено ще одну еквівалентну схему для інтервалу комутації з позначенням струмів та напруг на елементах випрямляча. Оскільки крива випрямленої напруги  симетрична відносно осі абсцис, а період випрямленої напруги у три рази менший від періоду мережі, в загальному вигляді середнє значення випрямленої напруги, буде таким:

,                             (1.214)

 де миттєве значення випрямленої напруги між нульовою точкою вторинних обмоток трансформатора і позитивним полюсом навантаження. При визначенні величини  на періоді випрямленої напруги треба розрізняти два характерних інтервали. Для інтервалу комутації у відповідності до еквівалентної схеми на рис.1.39, г можна записати:

;

.

Тому на інтервалі комутації струму у вентилях  VS1 і VS3  миттєве значення випрямленої напруги

.

Після закінчення комутації струму у вентилі VS3 миттєве значен­ня випрямленої напруги . Таким чином, середнє значення випря­мленої напруги:

.                (1.215)

Підставивши миттєві значення ЕРС , одержимо:

.                (1.216)

Підставивши в (1.216) значення  з (1.213), одержимо рівняння зовнішньої характеристики для режиму :

.                    (1.217)

Режим . Такий режим має місце тоді, коли у випрямлячі в будь-який момент часу, струм пропускають одночасно три вентилі. При цьому безперервно, одна за одною відбуваються комутації струму у вентилях (рис.1.40, а).

·          Рис. 1.40 Режими роботи трифазного мостового випрямляча:

·          а) часові діаграми роботи при куті комутації ; б) еквівалентна схема випрямляча при куті комутації ;  в) часові діаграми роботи при куті комутації ; г) сімейство зовнішніх характеристик випрямляча

При збільшенні струму навантаження, якщо збе­рігається умова , інтервал комутації залишається незмінним і дорівнює . При цьому момент , що відповідає початку комутації для вентилів VS1 і VS3, буде зміщуватися вправо, а кут керування  буде автоматично збільшуватися, поки не досягне значення .

Це можна пояснити таким чином. Із збільшенням струму навантаження   інтервал комутації повинен збільшитися. При цьому зростає різниця ЕРС у кон­турі комутації, наприклад, для вентилів VS1 і VS3 різниця ЕРС . Наслідком цього є прискорення комутації і схема прийде до нового стану рівноваги, але уже з більшим кутом . Внаслідок цього, при зростанні навантаження, поки не створяться умови для одночасної ро­боти чотирьох вентилів, момент  автоматично зміщується вправо. При цьому, система керування фактично не впливає на процеси у випрямлячі.

 Якщо одночасно працюють вентилі VS1, VS2, VS3, умови для вклю­чення вентиля VS4 створюються у точці А (рис.1.40, а). До точки А вен­тиль VS4 не може вступити в роботу, оскільки у нього на аноді потен­ціал менший, ніж на катоді.

Потенціал аноду VS4 визначається нега­тивним потенціалом навантаження, який дорівнює потенціалу катода відкритого вентиля VS2, тобто ЕРС .

 Потенціал катода VS4 визначає­ться позитивним потенціалом навантаження, який дорівнює півсумі ЕРС контуру комутації з вентилями VS1 і VS3, тобто    (рис.1.40, б).

Якби випрямляч був некерованим, то для режиму  із збільшенням струму навантаження  точка  автоматично буде зміщуватися, вправо від значення , до значення .

Зовнішня характеристика для розглянутого режиму визначається рівняннями (1.213) і (1.216), з урахуванням того, що .

                 (1.218)

Застосовуючи тригонометричні формули для різниці і суми косинусів кутів, одержимо:

                              (1.219)

Якщо піднести до квадрату обидва рівняння, а потім їх скласти, одержимо рівняння зовнішньої характеристики для режиму :

.                                   (1.220)

Рівняння (1.220) є рівнянням еліпсу, осі якого співпадають з осями координат  і .

Режим . Третій режим при роботі вентилів VS1, VS2, VS3, може початися з моменту часу, який відповідає, точці А (рис.1.40, а), для якої . Починаючи з цього моменту у схемі одночасно можуть пропускати струм чотири вентилі, оскільки потенціал анода чергового четвертого вентиля стає позитивним по відношенню до потенціалу його катода. Так, наприклад, у момент, що відповідає точці  (рис.1.40, в), коли одночасно пропускають струм три вентилі VS1, VS2, VS3, при надходженні імпульсу керування на вентиль VS4, він вступає у роботу і на протязі інтервалу часу  в схемі одночасно будуть пропускати струм чотири вентилі VS1, VS2, VS3, VS4. Еквівалентна схема для цього режиму наведена на рис.1.40, б. Випрямлена напруга на інтервалі  дорівнює нулю, оскільки коло навантаження закорочено вентилями VS1 і VS4.

Інтервал  закінчується, коли струм вентиля VS1  спадає до нуля (точка  на рис.1.40, в). Починаючи з цього моменту на протязі часу, що відповідає куту , одночасно пропускають струм три вентилі VS2, VS3 і VS4, поки не будуть створені умови для початку роботи вентиля VS5 (точка  на рис.1.40, в). Починаючи з моменту  в схемі знову на протязі інтервалу  одночасно будуть пропускати струм чотири вентилі VS2, VS3, VS4, VS5.

Таким чином, для третього режиму можна виділити два характерних інтервали:

 інтервал одночасної роботи чотирьох вентилів;

 інтервал одночасної роботи трьох вентилів.

На протязі інтервалу  має місце так зване "подвійне перекриття" ,  коли проміжки комутації анодної і катодної груп вентилів починають співпадати у часі.

Зробивши розрахунки струму вентиля, наприклад , і випрямленої напруги на трьох інтервалах:  (рис.1.40, в) з урахуванням граничних умов, визначимо зовнішню характеристику для третього режиму:

.                                  (1.221)

Вираз (1.221) є рівнянням прямої лінії. Якщо на одному графіку побудувати зовнішні характеристики для усіх трьох режимів у відповідності до виразів (1.217), (1.220), (1.221) одержимо повну зовнішню характеристику керованого трифазного мостового випрямляча. На рис.1.40, г наведено сім'ю  зовнішніх характеристик для різних значень кута керування .

При  зовнішня характеристика складається з трьох суміжних відрізків LM,  MN  і  NK, яким відповідають рівняння (1.217), (1.220), (1.221).

При  у зовнішній характеристиці зникає еліптичний відрізок MN і залишаються лише перший і третій прямолінійні відріз­ки, яким відповідають рівняння (1.217),  (1.221) .

При  зовнішня характеристика може бути описана лише одним рівнянням (1.217), що відповідає першому режиму.

Для мостової схеми, що побудована на некерованих вентилях - діо­дах, також характерні три режими.

На рис.1.41, а  наведено графіки за­лежності зміни кута комутації  і кута регулювання , що виникає на інтервалах II і III режимів роботи некерованого випрямляча, від зміни відносного струму навантаження , де  струм при короткому замиканні навантаження .

Рис. 1.41 Режими роботи некерованого мостового випрямляча:

а) графіки залежності кутів  від відносного струму навантаження; б) еквівалентна схема випрямляча при короткому замиканні;  в) часові діаграми роботи випрямляча

Еквівалентна схема трифазного мостового випрямляча на діодах при короткому замиканні навантаження наведена на рис.1.41, б, а часові діаграми струмів і напруг у вентилі VD3 наведені на рис.141, в. У схемі в будь-який момент часу одночасно пропускають струм чотири вентилі.

Струми у вторинних обмотках трансформатора визначаються з наступних рівнянь:

Струми  являють собою симетричну систему синусоїдаль­них струмів, які зміщені відносно системи симетричних синусоїдальних ЕРС  на кут .

 Струми у вентилях треба визначити по інтер­валам, тривалістю . Так, наприклад, струм  у діоді VD3 визна­чається для чотирьох суміжних інтервалів, на яких одночасно пропускають струм вентилі, які мають такі номери: 1,2,3,6; 1,2,3,4; 2,3,4,5; 3,4,5,6.

При  струм  починає протікати з моменту  (рис.1.41, в)  і триває . Цей струм на окремих інтервалах являє собою відрізки синусоїд:

які спряжені між собою. В наведених рівняннях .

Виникнення кута регулювання  можна пояснити таким чином. Із зростанням струму виникає тенденція до збільшення кута комутації  (пояснення цього явища було дано раніше). Тому для II режиму при   комутація з діода VD6 на діод VD2 відбувається не в момент , а дещо пізніше (рис.1.40, а). Але в момент  вентиль VD3 включити­ся не може, так як різниця потенціалів між анодом і катодом діода VD3 в цей момент негативна.

Дійсно, до точки  відбувається комутація струму з діода VD6 на діод VD2. При цьому потенціал анода діода VD3 дорівнює негативному потенціалу на­вантаження, який у свою чергу дорівнює півсумі ЕРС фаз діодів, що комутуються, тобто .

Потенціал катода діода VD3 визначається позитивним потенціалом навантаження, який дорівнює ЕРС , оскільки діод VD1 включений. Таким чином, у точці  різниця потенціалів між анодом і катодом діода VD3 негативна. Позитивною вона стане тільки в точці , коли закінчиться комутація струму в діоді VD6 і потенціал анода діода VD3 буде визначатися величиною ЕРС , яка в момент  позитивна і більша за ЕРС , яка визначає потенціал катода діода VD3.

Таким чином, комутація в діоді VD3 почнеться трохи пізніше моменту . Внаслідок цього виникає кут регулювання  для некерованого випрямляча.

1.3.6.        Випрямлячі, що живлять двигуни постійного струму.

Однією з головних галузей техніки, де широко застосовуються напівпровідникові перетворювачі, є вентильний електропривод постійного і змінного струму.

Для живлення двигунів постійного струму у залежності від режиму їх роботи, потужності, що споживається, допустимих пульсацій струму і напруги на навантаженні, коефіцієнта використання двигуна за по­тужністю та інших факторів застосовуються  тиристорні керова­ні випрямлячі, схеми яких показані на рис.1.42, а-ж. Схеми можуть працювати у двох режимах: безперервного струму в колі навантаження і переривчастого струму.  

1.3.6.1.      Режим безперервного струму.

У загальному випадку усталений режим роботи будь-якого випрям­ляча при величинах струму, близьких до номінального, можна описати диференційними рівняннями, які записують для двох характерних інтер­валів роботи кожного вентиля еквівалентної схеми, що наведена на рис.1.42, з.

Рис. 1.42 Випрямлячі для живлення двигунів постійного струму

На інтервалі комутації струму між вентилями  з ЕРС  система рівнянь має вигляд:

               (1.222)

Склавши перші два рівняння системи і розділивши одержане рівня­ння на два, одержимо:

.              (1.223)

На інтервалі, коли працює один вентиль

,                      (1.224)

де  миттєве значення проти-ЕРС двигуна.

Рівняння (1.223), (1.224) дають можливість визначити миттєві зна­чення струму навантаження  і напруги на навантаженні  для двох характерних інтервалів періоду при відомих законах зміни усіх ЕРС з урахуванням параметрів  і кута керування . Формули для визначення середнього значення струму  і напруги  є досить громіздкими і незручними для практичного використання.

При  струм у навантаженні можна вважати постійним і рівним . Замінивши ЕРС  еквівалентним опором  можна скористатися зовнішньою характеристикою, що записана у загаль­ному вигляді для активно-індуктивного навантаження з урахуванням регулювання:

.                          (1.225)

Регулювальна характеристика для цього режиму:

.                      (1.226)

Якщо врахувати опір обмоток трансформатора  і втрати напруги у вентилі , можна користуватися спрощеним рівнянням зовнішньої характеристики:

        .                  (1.227)

Визначимо індуктивність згладжувального дроселя, яка має кінцеве значення і забезпечує заданий коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги і безперервність струму в колі навантаження.

Вихідна напруга керованого випрямляча  показана на рис.1.43, а.

Рис. 1.43 Характеристики випрямлячів для двигунів постійного струму:

а) часові діаграми роботи; б) графіки для визначення коефіцієнта пульсацій від рівня вихідної напруги для схем рис.1.42, а-е

Без урахування інтервалу комутації струму напруга  може бути подана як сума середнього значення  і змінної складової. У свого чергу змінну складову можна подати як суму вищих гармонік . Таким чином:

.                             (1.228)

Аналогічно розкладається на гармонічні складові струм навантаження

.                                (1.229)

Рівняння рівноваги напруг для схеми, наведеної на рис.1.42, з  має вигляд:

,                        (1.230)

де середнє значення ЕРС двигуна, сумарний активний опір обмотки двигуна і дроселя.

Підставляючи в рівняння (1.230) вирази (1.228) і (1.229) і нехтуючи малою величиною , одержимо:

.        (1.231)

Із рівняння (1.231) випливає, що змінна складова випрямленої напруги  врівноважується змінною напругою на дроселі:                                 

,                              (1.232)

а стала складова  врівноважується сумою сталих величин .

         .                                   (1.233)

Враховуючи, що з рівняння (1.228) , у відповід­ності з (1.232) одержимо:

      .                                   (1.234)

Струм у колі навантаження змінюється від мінімального значення , яке буде у момент відкривання чергового вентиля (на рис.1.43, а цей момент визначається кутом ) до максимального значення . Струму  відповідає момент часу, який визначається з умови

.                                   (1.235)

Враховуючи умову (1.235) з виразу (1.231) одержимо для моменту часу, який відповідає максимальному значенню струму, виконується рівняння:

.                                    (1.236)

Прирівнюючи вираз (1.236) з (1.233), робимо висновок, що для моменту часу, який відповідає максимальному значенню струму навантаження , повинна виконуватися умова

.                                        (1.237)

На рис.1.43, а цій точці відповідає кут . Проінтегруємо вираз (1.234) в межах зміни  від  до , яким відповідають струми  і :

.                (1.238)

Після інтегрування і підстановки меж інтегрування одержимо:

.                (1.239)

Якщо розділити ліву і праву частини рівняння на , в лівій частині одержимо коефіцієнт пульсацій:

.                  (1.240)

Вираз в чисельнику правої частини (1.240) визначає площу S (рис.1.43, а). Праву частину рівняння (1.240) запишемо у відносних одиницях, взявши за базисні величини середнє значення випрямленої напруги при  і номінальне значення струму навантаження:

,                            (1.241)

де фазовий кут навантаження; ;   коефіцієнт завантаження випрямляча.

Рівняння (1.241) дозволяє визначити рівень пульсацій при заданих параметрах кола навантаження, або, навпаки, для заданого коефіцієнта пульсацій визначити необхідну величину індуктивності згладжувального дроселя в колі навантаження.

На рис.1.43,б подані залежності , розраховані за допомогою формули (1.241) для схем випрямлячів наведених на рис.1.42 у випадку, коли величина струму навантаження дорівнює , тобто , а відношення , що виконується у більшості практичних випадків.

1.3.6.2.      Режим переривчастого струму.

Такий режим виникає у випадках, коли тривалість протікання струму у вентилі стає меншою . На рис.1.44, а  показано часові діаграми струмів і напруг для граничного режиму, коли .

Рис. 1.44 Часові діаграми роботи випрямлячів для двигунів постійного струму:

а) граничний режим при  в момент ; б) граничний режим при  в момент ;  в) режим переривчастого струму

Визначимо зовнішню характеристику для граничного режиму при умові, що . Згідно рівнянню (1.233) за таких умов:

.                                    (1.242)

Вираз (1.242) являє собою регулювальну характеристику випрямляча.

Рівняння рівноваги напруг, згідно (1.224) і рис.1.44, а має вигляд:

.                (1.243)

Розв'язуючи рівняння (1.243), одержимо:

  ,                    (1.244)

де .

Сталу інтегрування А визначимо з початкових умов :

.

Таким чином, закон зміни струму у навантаженні має такий вигляд:

.             (1.245)

Враховуючи (1.242)  та  , середнє значення струму навантаження:

. (1.246)

Рівняння (1.246) являє собою зовнішню характеристику випрямляча для граничного режиму. Вираз (1.246) дійсний при певних кутах , коли , (рис. 1.44, б). Цей кут для різних схем випрямлячів буде різним. Так, при  ;  при  .

При більших кутах регулювання наступає режим переривчастого струму (рис.1.44, в). У випадку переривчастого струму навантаження середнє значення випрямленої напруги, яке було б при вказаному зна­ченні кута керування  у режимі безперервного струму, за величиною менше ніж проти-ЕРС в колі навантаження.

.                                            (1.247)

Рівняння рівноваги для цього режиму таке ж саме, як і для граничного режиму (1.242), але воно дійсне лише на інтервалі . Тому розрахунок режиму з переривчастим струмом навантаження треба проводити для кожного конкретного значення тривалості протікання струму у вентилі , яка змінюється при зміні навантаження. Це суттєво ускладнює розрахунки.

Треба зауважити, що в керованих випрямлячах середньої і великої потужності, навантаженням яких є двигун, що працює в режимі перерив­частого струму, середнє значення випрямленого струму складає одиниці, або долі відсотка номінального струму . Тому ці струми можна не враховувати і вважати, що при переривчастому струмі у навантаженні випрямляч працює в режимі холостого ходу.

1.3.7.        Трифазні інвертори, ведені мережею.

Найважливіші співвідношення, що визначають характеристики бага­тофазних інверторів, ведених мережею, можна одержати із співвідно­шень для відповідної схеми керованого випрямляча. Для цього замість кута регулювання  треба підставити значення  (кут випере­дження). Таким чином, можна визначити:

5.       Середнє значення струму інвертора:

                    .              (1.248)

6.       Проти-ЕРС інвертора на холостому ході:

.              (1.249)

7.       Збільшення проти-ЕРС, обумовлене комутацією

                           .                 (1.250)

8.       Вхідна характеристика інвертора

.              (1.251)

або

.                (1.252)

 

1.3.7.1.      Трифазний інвертор з нульовим виводом.

Схема інвертора і часові діаграми струмів та напруг наведені на рис.1.45.

Рис. 1.45 Трифазний інвертор з нульовим виводом ведений мережею:

а) схема інвертора; б) часові діаграми роботи

Підставляючи значення  у формули (1.251), (1.252) одержимо вхідні характеристики інвертора:

,                      (1.253)

.                         (1.254)

Із збільшенням струму навантаження, при заданому куті виперед­ження , величина проти-ЕРС , збільшується. Це можна пояснити тим, що при збільшенні кута комутації  збільшується площа, яка обмежена негативною частиною кривої , а отже, збільшується середнє значення напруги .

Величина початкового скачка зворотної напруги на тиристорі

,                                   (1.255)

де .

Значні величини початкового скачка  можуть спричинити небезпечні струми в р-n - переходах тиристора. Для зменшення величини  треба зменшувати кут випередження , але це в свою чергу призводить до зменшення кута . При цьому зростає вірогідність "перевертання" інвертора, якщо  стане меншим .

Трифазний інвертор з нульовим виводом має ті ж самі недоліки, що й трифазний випрямляч з нульовим виводом. Треба мати на увазі, що максимальна пряма напруга на вентилі досягає величини .

1.3.7.2.      Трифазний мостовий інвертор, ведений мережею.

Випрямлена напруга керованого трифазного мостового випрямляча дорівнює , де випрямлені напруги, що забезпечу­ються катодною і анодною групами вентилів. Аналогічно визначаються і проти-ЕРС мостового інвертора ,  де .

Розглянемо середні значення: .

Якщо , то .

Таким чином вхідна характеристика мостового інвертора

.                      (1.256)

На рис.1.46, а наведено сімейство вхідних характеристик трифазного мостового інвертора, веденого мережею, а також зовнішні характеристики керованого трифазного мостового випрямляча. Дзеркальне відображення зовнішньої характеристики випрямляча при  є обмежувальною характеристикою трифазного мостового інвертора, веденого мережею при .

Стійкість роботи інвертора залежить від двох основних факторів:

5.       треба, щоб кут  перевищував кут відновлення вентильних властивостей тиристора (). Для того, щоб кут  не зменшувався понад допустиме значення, в інверторах застосовують пристрій компенсації.

6.       для забезпечення стійкої роботи інвертора треба, щоб нахил зовнішньої характеристики генератора постійної напруги перевищував нахил вхідної характеристики інвертора.

Рис. 1.46 Характеристики інвертора веденого мережею

В іншому випадку робота інвертора буде нестійкою. Так, наприклад, якщо джерело постійного струму є ідеальним, його зовнішня характерис­тика являє собою пряму лінію , паралельну до осі абсцис, рис.1.46 б, а вхідна характеристика реального інвертора , має певний нахил до осі абсцис. Якщо не враховувати втрати енергії у генераторі і зглад­жувальному дроселі () робоча точка на характеристиках буде визначатися з умови  (точка М). Якщо струм збільшиться на вели­чину , це зменшить проти-ЕРС інвертора . При  це викличе подальше зростання струму, а, отже і зменшення проти-ЕРС. Струм буде зро­стати до тих пір, поки інвертор не буде виключений пристроєм захисту.

На рис.1.46, в наведено характеристики  і , які забезпечують стійкий режим роботи інвертора. Генератор постійної напруги має більший внутрішній опір, тому нахил його зовнішньої характеристики більший від нахилу вхідної характеристики інвертора. При збільшенні струму напруга генератора  зменшується на більшу величину, ніж проти-ЕРС інвертора. Це призводить до зменшення струму і робоча точка повертається до точки М.

Причиною аварійного зростання струму в інверторі можуть бути окремі пропуски вмикання чергового тиристора. З метою збереження при цьому номінального режиму, в коло постійного струму установлюють дросель  з великою індуктивністю. Дросель сприяє залученню інвертора у номінальний режим. Величина індуктивності  в інверторах, ведених мережею, значно більша, ніж у керованих випрямлячах.

1.3.8.        Багатопульсаційні випрямлячі.

Багатопульсаційні випрямлячі являють собою послідовне, або па­ралельне з'єднання трифазних випрямлячів. У таких випрямлячах змен­шуються пульсації випрямленої напруги, а також вищі гармоніки струму, що споживається від мережі. При цьому значно зменшується встановлена потужність фільтрів, або зовсім зникає потреба в них.

При послідовному з'єднанні трифазних випрямлячів можна одержати високі випрямлені напруги, а при паралельному з'єднанні - великі струми навантаження.

На рис 1.47, а показано 12-ти пульсаційну схему, в якій послідовно з'єднані дві схеми трифазних мостових випрямлячів. Обмотки трансформатора одного з випрямлячів з'єднані способом "зірка-зірка", а іншого "трикутник-зірка". При такому з'єднані обмоток системи напруг на вторинних обмотках трансформаторів мають фазовий зсув . Завдяки цьому вихідна напруга  має дванадцятикратні пульсації. Коефіцієнт пульсацій за основною гармонікою

.

На рис. 1.47, б наведені   часові  діаграми  випрямленої  напруги  і струмів.

 

Рис. 1.47 12-ти пульсна схема випрямляча:

 а) схема випрямляча; б) часові діаграми роботи

Струми, що споживаються від мережі окремими трансформаторами, як­що їх розкласти на гармонічні складові, описується такими виразами:

Таким чином, струм, що споживається від мережі, крім основної гармоніки, частота якої співпадає з частотою мережі, буде містити в собі 11-ту, 1З-ту та інші гармоніки більш високого порядку

.                   (1.257)

Тому коефіцієнт форми струму .

При визначенні струму  треба враховувати, що струм  випереджає на  струм , оскільки фазна напруга  випереджує за фазою напругу  на . Для трансформатора TV1 коефіцієнт трансформації повинен бути в  раз меншим ніж для трансформатора TV2. Це необхідно для того, щоби середні значення випрямленої напруги  і  були однаковими. Це враховано при визначенні струму  (рис.1.47, б).

Дванадцятипульсаційний випрямляч можна побудувати на базі одно­го триобмоткового трансформатора. Первинна обмотка трансформатора з'єднана "зіркою", одна з вторинних обмоток - "зіркою", а інша - "трикутником". До вторинних обмоток підключено однакові трифазні мостові вентильні блоки, виходи яких з'єднані послідовно. Такий тип випрямлячів є більш економічним.

На рис. 1.48,а наведено схему 18-ти пульсаційного випрямляча паралельного типу, у якій вихідні кола трьох мостових випрямлячів з'єднані паралельно. Для того, щоб одержати на навантаженні випрямлену напругу з кратністю пульсацій  обмотки трансформатора TV1  з'єднують способом "зірка-зірка", а обмотки TV2 і  TV3 - "зірка-зигзаг". Це дає можливість одержати симетричну дев'ятифазну систему вторинних ЕРС, які зміщені за фазою одна відносно іншої на кут 40° (рис.1.48, б). Ця система ЕРС підключається до мостових вентильних блоків і формує на навантаженні випрямляча 18-ти пульсаційну випрямле­ну напругу, коефіцієнт пульсацій якої .

Рис. 1.48 18-ти пульсний випрямляч: а) схема випрямляча; б)-в) векторні діаграми

Для того, щоб діючі значення вторинних ЕРС були однакові для усіх фаз усіх трансформаторів, треба, щоб коефіцієнти трансформації трансформаторів TV2 і TV3 були вибрані з урахуванням рис.1.48, в, де відношення векторів =2,53. Для вирівнювання струмів у схему вводять вирівнювальні дроселі L.

Збільшуючи кількість паралельно з'єднаних випрямлячів, можна одержати 24-х пульсаційну і більше випрямлену напругу. Для таких випрямлячів практично не потрібні згладжувальні фільтри. Наприклад, при  коефіцієнт пульсацій дорівнює .

1.3.9.        Реверсивні перетворювачі.

Реверсивні перетворювачі застосовуються в промисловому електро­приводі для зміни швидкості обертання двигунів постійного струму, на електричному транспорті для використання енергії, яка виді­ляється при гальмуванні, а також в електрохімічному виробництві.

При зміні швидкості обертання електричної машини і її гальмува­нні може бути здійснене рекуперування енергії, накопиченої в рухомих масах, а також в електричному полі машини. Для здійснення режиму рекуперації енергії необхідно перевести електричну машину в генераторний режим, а перетворювач - в інверторний режим.

Регулювання швидкості двигунів постійного струму може здійснюватися трьома способами:

5.       за рахунок зміни величини напруги на якорі;

6.       зміною струму обмотки збудження і відповідно магнітного потоку головних полюсів машини;

7.       комбінованим способом, одночасною зміною напруги на якорі і струму збудження.

У промисловому електроприводі постійного струму застосовуються реверсивні перетворювачі двох видів, схеми яких показані на рис.1.49, а, б.

Рис. 1.49 Схеми реверсивних випрямлячів

  У цих схемах реверс напруги на якорі двигуна або обмотці збудження (ОЗ) здійснюється за допомогою керованих двокомплектних силових перетворювачів СП, або керованих двокомплектних перетворювачів КП. Кожен комплект СП і КП забезпечує живлення кола якоря або обмотки збудження напругою певної полярності.

Схеми реверсивних перетворювачів з двома комплектами вентилів ділять на дві групи: зустрічно-паралельні (рис.1.50, а) і перехресні "вісімкові" (рис.1.50, б).

Рис. 1.50 Схеми реверсивних випрямлячів з двома комплектами вентилів:

а) зустрічно-паралельна схема; б) перехресна схема; в) діаграми зміни струмів та напруг в перехресній схемі; г) фазова характеристика керування; д) схема реверсивного випрямляча без вирівнювальних дроселів

Зустрічно-паралельна схема має одну групу вторинних обмоток силового трансформатора, яка живить дві групи вентилів 1 і 2, які включені зустрічно, подібно до мостової схеми випрямляча.  Спільний полюс катодної групи вентилів і спільний полюс анодної групи вентилів з'єднані поміж собою через два вирівнювальні дроселі ВР, а навантаження (обмотка збудження ОЗ) підключене між нульовим виводом вторинних обмоток трансформатора і спільною точкою вирівнювальних дроселів.

У перехресних схемах силовий трансформатор має дві ізольовані групи вторинних обмоток, кожна з яких живить свою групу керованих вентилів. Обидва перетворювачі з'єднані між собою по контуру , який утворює "вісімку". Навантаження 0З через вирівнювальні дроселі ВР підключене між спільними катодами груп 1, 2 вентилів і одночасно між нульовими виводами  вторинних обмоток трансформатора. Коли перший перетворювач працює в режимі випрямляча з кутом керування , то другий в цей же час є готовим до інверторного режиму а кутом випереджання .

Якщо в процесі регулювання швидкості двигуна кут  стане за ве­личиною більше ніж , напруга на обмотках збудження змінить свою полярність. При цьому напрям струму , в обмотках збудження (рис. 1.50, б) залишається без змін. Починаючи з цього моменту перший перетворювач перейде в інверторний режим з кутом випередження , а другий буде підготовлений до режиму випрямляння з кутом регулювання . Як тільки струм у навантаженні зменшиться до нуля, навантаження буде живитися від другого перетворювача. Напрям струму в навантажен­ні  зміниться. При цьому змінюється напрям обертання валу елект­ричної машини. Другий перетворювач при цьому буде працювати в режимі випрямляча з кутом керування , а перший перетворювач буде готовий до інверторного режиму з кутом випередження . Далі процеси повторюються.

Імпульси ке­рування подають одночасно на обидва перетворювача, причому . При збільшенні кута  зменшується кут  і навпаки, із збільшенням кута  зменшується кут . Таке керування перетворювачами називають спільним керуванням.

Якщо імпульси керування подавати тільки на ту групу вентилів, яка в даний час працює, то таке керування називають роздільним.

На рис. 1.50, в наведено діаграму зміни струму  в колі обмотки збудження, а також напруга на цій обмотці  для перехресної схеми із спільним керуванням. У процесі регулювання можна виділити чотири області:

І - область, коли  і  співпадають за знаком, відповідає обертанню вала електричної машини у прямому напрямку. Перший перет­ворювач КВ1 працює у режимі випрямляча з кутом регулювання . Пе­ретворювач КВ2 готовий до інверторного режиму і на керуючі електроди його вентилів подаються імпульси керування з кутом випередження . Як тільки , стане рівним нулю цей режим закінчується.

II - область, коли знак струму  не змінився, а знак напруги  змінився. Цей режим відпо­відає обертанню вала машини у прямому напрямку, але перетворювач КВ1 переходить в інверторний режим, з кутом випереджан­ня . Перетворювач КВ2 готовий до режиму випрямлення і його кут регулювання . Цей режим закінчується, коли струм  буде дорівнювати нулю. У цей момент швидкість обертання вала електричної машини спадає до нуля.

 ІІІ - область, коли  і  змінюють знак, відповідає обертанню вала машини у зворотному напрямку. Перетворювач КВ2 працює у ре­жимі випрямляча і живить навантаження. Його кут регулювання . Перетворювач КВ1 готовий до інверторного режиму і на його керуючі електроди надходять імпульси керування . При збільшенні кута  напруга  буде спадати і коли  буде дорівнювати нулю цей режим закінчується.

ІV - область, коли напрям струму  не змінився, а напруга  змінила полярність, відповідає обертанню вала двигуна у зворотному напрямку. Перетворювач КВ2 переходить в інверторний режим, його кут регулюван­ня  (), а перетворювач КВ1 готовий до режиму випрямляння і його кут керування .

Коли струм  буде дорівнювати нулю, цей режим закінчується, а швидкість обертання вала електричної машини спадає до нуля. Після цього реверсивний випрямляч знову переходить у І-у об­ласть - режим збільшення швидкості обертання вала двигуна у прямому напрямку, коли  і  співпадають за знаком, , а . Навантаження живиться від перетворювача КВ1.

Розглянемо процеси у перехресній схемі реверсивного перетворю­вача при спільному керуванні. При роботі перетворювача створюється короткозамкнений контур , який називають вирівнювальним контуром.  Під дією різниці миттєвих значень ЕРС різних груп пе­ретворювачів, які входять у цей контур, виникає струм, який є причи­ною додаткових втрат енергії у вентилях і обмотках трансформатора. Цей струм у перехідних режимах може досягати значної величини, що може призвести до аварійного режиму.

Закономірність зміни миттєвого значення струму у вирівнювальному контурі  можна визначити, розв'язавши диференційне рівняння, яке описує процеси у вирівнювальному контурі:

,                               (1.258)

де миттєві значення напруг першого і другого перетворювача. Алгебраїчна сума цих напруг дорівнює миттєвому значенню вирівнювальної напруги ; загальна індуктивність вирівнювального контуру; повний активний опір вирівнювального контуру.

Активним опором можна знехтувати, оскільки він значно менший ніж індуктивний опір, що складається з двох опорів, зумовлених індуктивностями вирівнювальних дроселів і двох опорів, зумовлених потоками розсіювання двох вторинних обмоток трансформатора, які входять в різні групи реверсивного випрямляча. Рішення рівняння (1.258) мав такий вигляд:

.                                 (1.259)

Якщо перший перетворювач працює як випрямляч, а другий готовий до інверторного режиму, то у вирівнювальному контурі   струм буде протікати  від другого перетворювача до першого перетворювача, який буде сприйматися як генератор. Кожен вентиль першого перетворювача при безперервному струмі навантаження буде працювати на протязі , забезпечуючи живлення обмотки збудження двигуна. Отже  і  при обході вирів­нювального контуру мають зустрічний напрямок. Їх середні значення  і  також мають протилежні знаки. Для того, щоби у вирівнюваль­ному контурі не було постійної  складової напруги , тобто , необхідно виконання умови . За такої умови струм у вирівнювальному контурі  буде переривчастим, або гранично-безперервним. Режим, коли  називають узгодженим. Враховуючи, що , а , де , одержимо . Отже, умовою узгодженого режиму є рівність

.                                   (1.260)

Врахування активного опору вирівнювального контуру призводить до зміни рівняння умови узгодженого режиму , де кут  залежить від активного опору вирівнювального контуру  та струму у вирівнювальному контурі . Однак принцип спільного керування при врахуванні кута  не змінюється.

Якщо ,  і у вирівнювальному контурі виникає некомпенсована постійна складова напруги , яка буде причиною виникнення у контурі безперервного струму значної величини. Цей струм не буде обмежуватися вирівнювальними дроселями.

Якщо ,   і у вирівнювальному контурі виникає некомпенсована постійна складова, яка буде зменшувати різницю потен­ціалів між точками  (рис.1.50, б), тобто буде "підпирати" вентилі першого перетворювача, який працює у режимі випрямляча. У вирівнюва­льному контурі виникає невеликий струм, який має переривчастий хара­ктер. Такий неузгоджений режим веде до погіршення використання тран­сформатора та зменшення коефіцієнта потужності перетворювача. Недо­ліки неузгодженого керування вентильними групами можуть бути зменше­ні за рахунок зовнішніх зворотних зв'язків системи авторегулювання.

Для забезпечення узгодженого керування двома вентильними групами перетворювача, фазозсувні пристрої обох груп вентилів повин­ні бути абсолютно ідентичними. При цьому фазові характеристики  обох систем керування, що наведені на рис.1.50, г , будуть симетричними відносно початку системи координат.

Роздільне керування вентильними групами реверси­вного перетворювача, схема якого зображена на рис.1.50, д, дозволяє повністю позбавитися вирівнювальних струмів. При цьому необхідність у вирівнювальних дроселях відпадає.

При роздільному керуванні на вентильні групи, що не працюють, імпульси керування не подають. Зняття імпульсів керування з непра­цюючої групи відбувається у момент часу, коли струм навантаження проходить через нуль. Подавання імпульсів керування на вентилі іншої групи відбувається після деякої паузи, тривалість якої становить 5-10 мс та визначається інерційністю датчиків, що контролюють момент проходжен­ня струму через нуль.

Роздільне керування застосовується в електроприводі, якщо вимоги до динамічних показників невисокі.

Спільне, узгоджене керування дозволяє одержати високі динамічні показники і тому застосовується для електроприводів високої точності.

1.3.10.   Регулювання вихідної напруги випрямлячів.

Вихідну напругу випрямлячів регулюють різними способами:

5.       За допомогою керування силовими вентилями керованого випрям­ляча.

6.       За допомогою переключення відпайок трансформатора (ступеневе регулювання). Напруга в межах кожної ступені може регулюватись за рахунок фазового регулювання моменту вмикання силових вентилів.

7.       За допомогою фазового керування додатковими тиристорами, які включені в коло змінного струму, або на виході випрямляча.

1.3.10.1. Ступеневе регулювання.

Ступеневе регулювання застосовується для випрямлячів з діапазоном зміни вихідної напруги . При такому регулюванні  напруги поліпшуються енергетичні показники. Керовані випрямлячі із ступеневим регулюванням вихідної напруги показані на рис.1.51, а-в. На рис.1.51, г наведено часові діаграми струмів і напруг у схемі, рис.1.51, а. У цій схемі застосовано трансформатор,  вторинна обмотка якого має нульовий вивід О і від­пайки . До відпайок підключено діоди VD1, VD2, а до вихідних виводів вторинної обмотки підключено тиристори VS1, VS2. Мінімальна рівень напруги на навантаженні забезпечується діодами VD1, VD2. Підвищення напруги досягається за рахунок включення тиристорів VS1,VS2. При включенні тиристорів випрямлена напруга  збільшується дискретно. При цьому виникають короткозамкнені контури з ЕРС  і вентилями VS1, VD1 і VS2, VD2, в яких струми к.з. мають напрямок протилежний струму діодів VD1, VD2.  Внаслідок цього діоди VD1, VD2 відключаються.

За наявності в колі навантаження великої індуктивності , струми   і   в момент комутації залишаються незмінними і дорівнюють струму навантаження . Струм у первинній обмотці    у момент вмикання тири­сторів змінюється дискретно, оскільки дискретно змінюється коефіцієнт трансформації трансформатора від значення   до  . Однак слід пам’ятати, що за наявності індуктивності розсіювання зміна струму  відбувається не миттєво, а за деякий кінцевий час (кут комутації). Процес комутації струмів з діодів VD1, VD2 на тиристори VS1, VS2 відбувається аналогічно процесу комутації, що був розглянутий при роботі випрямляча з нульовим виводом на активно-індуктивне навантаження (див. п.1.2.2.2).

Визначимо регулювальну характеристику однофазного випрямляча з нульовим виводом із ступеневим регулюванням.

У відповідності до рис. 1.51, г, відношення  будемо називати коефіцієнтом комутації обмоток.

При  ,  а при  , або  .

Середнє значення випрямленої напруги за півперіод:

(1.261)

         Вираз (1.261) являє собою регулювальну характеристику випрямля­ча. На рис.1.51, д  наведено регулювальні характеристики у відносних одиницях для двох значень коефіцієнта комутації обмоток К = 1,2  і  К = 2,2. Регулювальна характеристика має найбільшу крутизну в діапазоні зміни кута керування  від  до .

Рис. 1.51 Випрямлячі із ступеневим регулюванням:

а) схема з нульовим виводом;  б) однофазна мостова схема;  в)  трифазна мостова схема;  г) часові діаграми роботи для схеми із нульовим виводом; д) регулювальні характеристики

Випрямлячі з вольтододаванням можна застосувати для стабіліза­ції вихідної напруги при змінах вхідної напруги. Так, наприклад, як­що напруга мережі збільшилась від   до , то це відповідає величинам   і  . Визначимо, в якому діапазоні треба змінити кут керування , щоб забезпечити стабілізацію випрямленої напруги  (1.261).

Відносна зміна вхідної напруги

,                             (1.262)

де  амплітуда ЕРC   (рис.1.51, а).

Якщо враховувати, що ,  то з виразу (1.261) випливає

.                     (1.263)

.     (1.264)

Вважаючи, що , з (1.261) випливає

,

а з (1.264) одержимо

.                  (1.265)

Таким чином, при підвищенні напруги мережі від  до  для стабілізації вихідної напруги треба збільшити кут керування від  до .

З метою поліпшення енергетичних показників при ступеневому регулюванні застосовують мостові схеми.

На рис.1.51, б показано однофазну мостову схему, а на рис.1.51, в - трифазну мостову схему з вольтододаванням. Якщо у схемі рис.1.51, б працюють діоди VD2, VD4, підключені до обмотки , то після включен­ня тиристора VS1 діод VD4 закривається. Після цього струм пропускають тиристор VS1 і діод VD2, а живлення навантаження здійснюється від об­мотки  з більш   високою напругою.

Аналогічно ступенево регулюють вихідну напругу трифазного мостового випрямляча.

1.3.10.2. Фазове регулювання випрямленої напруги.

Фазове регулювання здійснюється за допомогою блоків, які складаються з зустрічно-паралельно з'єднаних тиристорів, або симісторів. Випрямлячі з фазовим регулюванням випрямленої напруги застосовують для одержання регульованої випрямленої напруги значної величини. При цьому, як випрямляючі елементи використовують високовольтні діоди, або група послідовно включених діодів. Регулюючими елементами є тиристорні блоки, які включають в низьковольтну первинну обмотку трансформатора.

Фазове регулювання за допомогою тиристорів, що включені у первинну обмотку трансформатора, застосовується і у тих випадках, коли на навантаженні треба одержати значні струми при малих випрям­лених напругах. При цьому, як випрямляючі елементи використовують паралельне з'єднання діодів, розраховане на значні струми.

Зустрічно-паралельне з'єднання тиристорів застосовують для плавного регулювання змінної напруги між відпайками трансформатора, а також для безконтактного (безіскрового) відключення трансформатора від мережі живлення.                                                                                                             

На рис.1.52, а, б  показано схеми з фазовим регулюванням відповідно в колі змінного і постійного струму.

Рис. 1.52 Фазове регулювання випрямленої напруги:

а) схема регулятора змінної напруги; б) схема випрямляча з регулюванням у колі постійного струму; в) схема трифазного випрямляча з регулюванням напруги на стороні первинної обмотки трансформатора

 

На рис.1.52, в  показано схему трифазного мостового випрямляча з фазовим регулюванням випрямленої напруги на стороні первинної обмот­ки трансформатора. Якщо тиристори VS5 і VS6 пропускають струм, а та­кож включені діоди VD5 і VD6, то пряма напруга на тиристорі VS1 буде такою ж, як і в місці розриву фази А первинної обмотки трансформатора.

При з'єднанні обмоток зіркою , де амплітуда фазної напруги мережі.

При кутах регулювання  має місце режим безперервного імпульсу струму у тиристорі. При цьому середнє значення випрямленої напруги

.                                (1.266)

При кутах керування  буде режим переривчастого імпульсу струму тиристора, а середнє значення випрямленої напруги:

,                        (1.267)

де  .

1.3.11.   Несиметричні перетворювачі.

До несиметричних перетворювачів відносять перетворювачі, які живляться від несиметричної системи напруг, симетричні перетворювачі з несиметричним способом регулювання, а також перетворювачі, що побудовані за несиметричними схемами.

При несиметричному режимі перетворювач споживає меншу реактивну енергію, має кращий коефіцієнт потужності, економічно більш доціль­ний, але при цьому має підвищений коефіцієнт пульсацій.

На рис.1.53, а наведено схему несиметричного трифазного мостового перетворювача, анодна група вентилів якого побудована на діодах, а катодна – на тиристорах.

Середнє значення випрямленої напруги  анодної групи та  катодної групи, враховуючи кут керування  відповідно:

Середнє значення випрямленої напруги на навантаженні

.   (1.268)

На рис.1.53, б наведено часові діаграми напруг при трьох значен­нях кута керування .

Для анодної групи  буде незмінним. Для катодної групи  бу­де змінюватися, отже  також буде змінюватися. При зростанні кута керування  напруга  спочатку зменшується, при  дорівнює нулю, а потій стає негативною, оскільки катодна група вентилів переходить в інверторний режим. При , тому , а крива  стає дзеркальним відображенням кривої .

Рис. 1.53 Несиметричні схеми випрямлячів:

 а) несиметрична трифазна мостова схема; б) часові діаграми роботи мостової схеми; в) схема двомостового несиметричного випрямляча;  г) схема двомостового компенсаційного випрямляча

 

Практичне застосування мають двомостові і чотиримостові несиметричні випрямлячі. Вони мають кращі техніко-економічні показники. У вхідному струмі цих випрямлячів відсутні парні гармоніки. Зав­дяки цьому покращується коефіцієнт потужності усього випрямляча.

Схема двомостового несиметричного випрямляча показана на рис.1.53, в. На базі двомостового несиметричного випрямляча акад. Чиженко І.М. розробив в Київському політехнічному інституті двомостовий компенсаційний випрямляч з одним пристроєм комутації (рис.1.53, г).

1.3.12.   Коефіцієнт корисної дії і коефіцієнт потужності випрямлячів.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) випрямлячів у загальному випадку визначають як відношення активної потужності , що виділяється в навантаженні, до загальної активної потужності, , що споживає­ться від мережі

.                                        (1.269)

Активна потужність, що споживається від мережі, використовуєть­ся у навантаженні лише частково. Частина енергії втрачається у тран­сформаторі (), вентилях (), згладжувальному фільтрі (), а та­кож у допоміжних пристроях випрямляча () - пристроях пуску, захисту, сигналізації, керування і регулювання та ін.

Таким чином,

.                      (1.270)

Активна потужність, що виділяється у навантаженні, з урахуван­ням пульсацій випрямленої напруги

,                          (1.271)

де   діюче значення "q"-тої гармоніки випрямленого струму.

При ідеальній фільтрації  (для випрямлячів великої потужності), пульсації струму відсутні і ККД випрямляча

,                                           (1.272)

де корисна потужність навантаження, яка визначається постійними складовими випрямленої напруги і струму; сумарна потужність, яка втрачається у випрямлячі.

Коефіцієнт потужності випрямляча з синусоїдальною напругою живлення і несинусоїдальним струмом первинної обмотки трансформатора можна визначити з виразу , де коефіцієнт спотворення струму,  фазовий кут між напругою мережі і першою гармонікою струму.

Розглянемо визначення коефіцієнта потужності на прикладі три­фазного мостового випрямляча з активно-індуктивним навантаженням. На рис.1.54 наведено часові діаграми напруг і струмів без урахування комутації струмів вентилів (рис.1.54, а) і з урахуванням комутації (рис1.54, б).

Рис. 1.54 Часові діаграми для визначення коефіцієнту потужності:

а) без урахування процесів комутації; б) з урахуванням процесів комутації

Для першого режиму , отже

.                                       (1.273)

Для другого режиму, вважаючи, що струм має трапецевидну форму, маємо:

; .          (1.274)

Якщо  можна скористатися більш точним виразом

.

Коефіцієнт потужності інвертора у загальному випадку визначає­ться так само, як і для випрямляча. Однак, фазовий кут , оскі­льки енергія передається з кола постійного струму до мережі змінного струму. Тому за модулем коефіцієнт потужності інвертора дорівнює:

.                                      (1.275)

З урахуванням процесів комутації струму вентилів фазовий кут .

Так як , то коефіцієнт потужності інвертора

.                           (1.276)

Для збільшення коефіцієнту потужності інвертора  треба зменшити кут випередження . Однак це веде до зменшення кута , який забезпечує необхідний час для віднов­лення вентильних властивостей тиристорів, тобто збільшується віро­гідність "перевертання" інвертора.

1.4.   Системи керування випрямлячів.

Для забезпечення роботи силової частини перетворювального прис­трою треба у відповідності до заданого алгоритму роботи забезпечити формування сигналів керування і подачу їх на керуючі електроди вен­тилів силового кола. Саме цю функцію і виконує система керування перетворювача. Незважаючи на те, що існує велика кількість різних схем керованих випрямлячів, принцип побудови їх систем керування аналогічний, що зумовлено такими факторами:

5.       Задавальним генератором, по визначає періодичність процесів у силовій частині, є мережа змінного струму.

6.       Керуюча дія на силову схему полягає у затримці моменту відкривання тиристорів відносно моменту їх природного відкривання (фазовий зсув імпульсів керування відносно напруги мережі живлення).

7.       У керованих випрямлячах використовується природне вимикання силових ключів (тиристорів). Внаслідок цього, нема потреби формувати спеціальні імпульси для виключення силових ключів.

8.       Тривалість імпульсів керування силових тиристорів значно менша за тривалість протікання струму через них. За рахунок цього підвищується економічність системи керування і спрощується реаліза­ція її вихідних каскадів.

Незалежно від принципу побудови схеми, будь-яка система керування повинна виконувати такі функції:

5.       Визначення моментів часу, в які треба включати той чи інший вентиль силової схеми. Ці моменти залежать від сигналу керування, який діє на вході системи керування і визначає її роботу, а отже і вихідні параметри випрямляча (наприклад середнє значення струму або напруги на його виході).

6.       Формування імпульсів керування, які у визначені моменти часу подаються на керуючі електроди тиристорів. Ці імпульси керування повинні мати певну тривалість, амплітуду, потужність, а в деяких випадках і форму імпульсу.

Часто система керування може виконувати і деякі інші функції: включення і виключення перетворювача, формування перехідного процесу (плавний пуск), захист від аварійних режимів і ін. Однак, реалізація цих додаткових функцій зводиться до визначення моментів подавання імпульсів керування на тиристори (пуск) або забороні формування ім­пульсів керування (припинення роботи, спрацьовування схеми захисту).

Функції,  які виконує система керування є типовими для інформаційної електроніки (фазовий зсув імпульсів керування і формування їх форми, тривалості і амплітуди). Тому, системи керування випрямлячів будуються на основі широко відомих схем інформаційної електроніки, зокрема, широко застосовуються різні типи інтегральних схем, приклади яких наведені в 1-й частині курсу. Оскільки, схемні реалізації системи керування можуть бути найрізноманітнішими, розглянемо загальну структурну схему системи керування випрямляча (рис.1.55).

Рис. 1.55 Узагальнена структурна схема випрямляча

Змінна напруга , частота і фаза якої співпадає з частотою і фазою мережі живлення, подається на синхронізуючий пристрій СП, який формує лінійно-змінну напругу, синхронізовану з мережею живлення. Ця напруга подається на один із входів фазозсувного пристрою ФЗП. На інший вхід цього пристрою подається напруга керування . На виході ФЗП формується сигнал, фазовий зсув якого відносно напруги мережі живлення, зале­жить від величини напруги керування . Формувач імпульсів ФІ забез­печує одержання імпульсів керування необхідної форми і тривалості. Сформовані імпульси керування подаються на підсилювач потужності ПП, який забезпечує необхідну потужність імпульсів керування і гальвані­чну розв'язку силової частини і системи керування.

Розглянута структурна схема показує принцип формування імпульсу керування тиристора. Однофазні випрямлячі містять щонайменше два тиристори, які включаються почергово у протилежній фазі. Тому система керування такого випрямляча повинна мати два канали аналогічних розглянутому.

У трифазних випрямлячах використовується більша кількість тиристорів, які почергово вмикаються в процесі роботи. Отже, система керування трифазного нульового випрямляча повинна складатися з трьох ідентичних каналів, а трифазного мостового - з шести. При роботі трифазної мостової схеми одночасно пропускають струм два вентилі - один з анодної групи, а інший з катодної. Тому, при запуску такого випрямляча, а також при його роботі у режимі переривчастого струму навантаження, треба одночасно включати два тиристори - один з катод­ної, а інший з анодної групи. Для цього на кожний тиристор імпульси керування надходять не тільки від свого каналу, але й з попередньо­го. Таким чином, система керування трифазного мостового випрямляча подає на тиристори "здвоєні" імпульси керування, тобто два однакових імпульси, які слідують один за одним через 60° (рис.1.56).                                                                                                       

Перевагою розглянутих багатоканальних систем керування є досить проста схема фазозсувного пристрою ФЗП і формувача імпульсів ФІ.   Багатоканальні   системи   керування   мають   високу   швидкодію, оскільки імпульси керування формуються каналами почергово і відразу відпрацьовують зміни сигналу керування.

Рис. 1.56 Структурна схема багатоканальної системи керування

Недоліком багатоканальних систем керування є те, що внаслідок неідентичності елементів, на яких побудовані окремі канали, особливо ФЗП, виникає асиметрія імпульсів керування, яка має величину . При цьому, погіршується форма випрямленої напруги і з'являється пульсація, частота якої менша, ніж частота випрямленої напруги. Більш висока симетрія імпульсів керування може бути реалізована в одноканальній системі керування, структурна схема якої показана на рис.1.57.

Рис. 1.57 Структурна схема одноканальної системи керування

Головною особливістю такої системи є те, що фазовий зсув імпу­льсів керування для усіх каналів формується одним і тим самим фазозсувним пристроєм ФЗП. Після цього, одержані імпульси керування за допомогою розподільника імпульсів РІ розподіляються між відповід­ними каналами, де відбувається їх подальше формування і підсилення потужності.

Головною перевагою одноканальної системи керування є висока симетрія імпульсів (асиметрія не перевищує ). Іншою перевагою розглянутої структури є простота її настроювання, оскільки, не треба забезпечувати ідентичність параметрів окремих каналів.

Одним з недоліків одноканальної системи керування є складність синхронізуючого пристрою, який повинен формувати одноканальну послідовність сигналів, частота яких у ціле число разів вища від частоти мережі, а також здійснення фазового зсуву імпульсів керування у широкому діапазоні. Як правило, одноканальні системи керування мають меншу швидко­дію, ніж багатоканальні.

Розглянуті багатоканальні і одноканальні системи керування є синхронними, оскільки, момент формування імпульсу керування (кут керування ) відраховується від певного моменту напруга мережі живлення (найчастіше від моменту проходження цієї напруги через нуль). Така синхронізація здійснюється за допомогою спеціального гене­ратора, який запускається в моменти синхронізації. Далі ця напруга подається на фазозсувний пристрій ФЗП, який часто будують на основі компаратора. Порівнюючи напругу синхронізації (нап­риклад, лінійно-зростаючу) з напругою керування , у момент їх рів­ності формується сигнал керування. Розглянутий принцип побудови ФЗП є аналоговим. Можлива також побудова ФЗП на основі цифрових пристроїв (рис.1.58).

Рис. 1.58 Структурна схема системи керування з цифровими пристроями

Основою такого ФЗП є лічильник імпульсів ЛІ, який настроєний на відлік певної кількості імпульсів. Дозвіл і заборона на роботу лічи­льника здійснюється імпульсами, які синхронізовані з напругою мережі і надходять від синхронізуючого пристрою СП. На лічильний вхід ЛІ надходять імпульси від керованого генератора КГ (перетворювач напру­га - частота). При зміні напруги керування  змінюється частота імпульсів, які надходять на вхід лічильника. Чим більша частота цих імпульсів, тим швидше на виході лічильника буде сформовано імпульс, тобто, тим меншим буде кут керування . після формування імпульсу керування здійснюється заборона на роботу лічильника, яка знімається при надходженні наступного імпульсу синхронізації.

Очевидно, що для підвищення точності формування кута керування , необхідно, щоби частота імпульсів на виході керованого генератора була достатньо високою.

Існують також асинхронні системи керування, у яких імпульси керува­ння спеціально не синхронізуються з мережею живлення, або ця синхро­нізація має допоміжну роль (наприклад, забезпечує обмеження максима­льних і мінімальних значень кута керування ). У таких системах ке­рування фазозсувний пристрій відсутній. Необхідний кут керуван­ня  в асинхронних системах одержують внаслідок регулювання інтерва­лів між імпульсами (частоти імпульсів спеціального керованого гене­ратора, який є елементом замкненої системи автоматичного керування).

Принцип роботи асинхронної системи керування можна пояснити за допомогою структурної схеми, яка наведена на рис.1.59.

Рис. 1.59 Структурна схема асинхронної системи керування.

Необхідну кількість каналів імпульсів керування одержують за допомогою розподільника імпульсів РІ. На вхід РІ надходять імпульси з керованого генератора КГ, частота яких залежить від відхилення напруги  на навантаженні Н керованого випрямляча КВ із згладжувальним фільтром Ф відносно напруги керування . Сигнал помилки  формується схемою порівняння СП.

Завдяки наявності кола зворотного зв'язку, у системі автоматично підтримується кут керування , який забезпечує задані параметри напруги на навантаженні.

Асинхронні системи керування доцільно використовувати у тих випадках, коли напруга  мережі живлення має значні спотворення, зок­рема, коли є несиметрія трифазної напруги, як по амплітуді, так і по фазі. За таких умов, синхронні системи керування стають недієздатни­ми внаслідок значної асиметрії кутів керування  у різних каналах.

Найчастіше асинхронні системи керування застосовують у тих випадках, коли перетворювач споживає потужність, яка порівняна з потужністю мережі живлення.

Розглянемо принцип дії простої системи керування однофазного мостового випрямляча, яка побудована на інтегральних операційних підсилювачах (рис.1.60, а).

Рис. 1.60 Система керування а) для однофазного мостового випрямляча б)

Система керування містить два аналогічних канали, кожен з яких формує імпульси керування відповідного тиристора випрямляча (рис.1.60, б). На операційному підсилювачі DA1 побудовано синхронізуючий пристрій (СП), а на DA2 - фазозсувний пристрій (ФЗП). Формувачем імпульсів (ФІ) є диференціюючий ланцюжок С2 – R9. На транзисторі VТ1 побудовано підсилювач потужності імпульсів (ПП). Другий канал на операційних підсилювачах DAЗ і DA4 і транзисто­рі VТ2 побудовано аналогічно. Часові діаграми роботи системи керування наведені на рис.1.61.

Рис. 1.61 Часові діаграми роботи системи керування

На вхід системи керування надходить синхронізуюча напруга  від мережі живлення змінного струму (рис.1.61, а). Обмежувач напруги на резисторі R1 і діодах VD1, VD2 формує змінну напругу, форма якої близька до прямокутної (рис.1.61, б). Ця напруга подається на вхід ін­тегратора, який побудовано на операційному підсилювачі DA1. На вихо­ді інтегратора формується змінна напруга трикутної форми, частота і фаза якої співпадає з частотою і фазою напруги мережі живлення (рис.1.61, в). Ця напруга подається на інвертуючий вхід компаратора DA2. На неінвертуючий вхід цього компаратора подається напруга керування . У моменти рівності цих напруг операційний підсилювач перемикається з одного насиченого стану у протилежний (рис.1.61, г).

При зміні напруги керування  змінюється момент перемикання компаратора DA2 у межах півперіоду напруги мережі живлення. Для формування імпульсу керування тиристора VS1 використовується негативний перепад напруги на виході компаратора. Після його диференціювання ланцюжком С2 - R9 формується короткий імпульс негативної полярності, передній фронт якого відповідає куту керування . Цей імпульс форму­ється і підсилюється транзистором VT1. Навантаженням транзистора є світлодіод оптотиристора VS1. У момент протікання струму керування  (рис.1.61, д) світлодіод VS1.1 починає випромінювати і вмикає силовий тиристор випрямляча VS1.2. Аналогічно працює другий канал, який формує імпульси керування тиристора VS2.2. На операцій­ному підсилювачі DAЗ побудовано інвертуючий підсилювач з коефіцієн­том підсилення напруги  (RЗ = R4). Таким чином, на вхід компаратора DA4 подається трикутна напруга, яка змінюється у проти­лежній фазі до напруги інтегратора (на рис.1.61, в показана штриховою лінією). Імпульс керування тиристора VS2.2, який форму­ється цим каналом, зміщений на 180° відносно імпульсу керування тиристора VS1.2. Розглянута система керування дає можливість плавно регулювати кут керування  у діапазоні від 0° до 180°. За своїм принципом дії вона відноситься до багатоканальних синхронних систем керування.

Останнім часом, все більш широке застосування набувають мікропроцесорні системи керування. Загальну структуру мікропроцесорної системи керування подано на рис.1.62.

Рис. 1.62 Загальна структура мікропроцесорної системи керування

Такі системи доцільно застосовувати для керування складними перетворювальними системами. Система керування окрім виконання основної функції - формування сиг­налів керування силовими ключами, виконує низку додаткових фун­кцій: забезпечення узгодженої роботи елементів перетворювальної системи; контроль та діагностування стану елементів системи; „м’який” пуск; захист від аварійних режимів роботи елементів.

 Енергія від джерела живлення Е через перетворювальну систему ПС подається у навантаження Н. Блок зворотного зв'язку БЗЗ здійснює контроль і вимірювання параметрів навантаження і елементів перетворювальної системи. Крім того, оскільки подальша обробка інформації відбувається у цифровому вигляді, БЗЗ також здійснює перетворення аналогових сигналів зворотного зв'язку у цифрові.

 Блок керування БК формує сигнали, які керують роботою силових ключів перетворювальної системи ПС. За рахунок зміни частоти слідування, тривалості, фази або інших параметрів імпульсів керування забезпечуються необхідні пара­метри електричної енергії на навантаженні. Зміна параметрів імпуль­сів керування відбувається під дією сигналів, які надходять на входи блока керування БК. У звичайних системах керування сигнали керування найчастіше формуються схемами порівняння, які контролюють відхилення сигналів зворотного зв'язку від еталонних сигналів.

 В мікропроцесо­рних системах управління сигнали керування формуються у блоці обробки інформації БОІ. Цей блок у відповідності до керуючої програми здійснює обробку інформації, що надходить по каналам зворотного зв'язку.

 Блок завдання режимів БЗР забезпечує відповідні режими роботи перетворювальної системи. Сюди ж надходить і необхідна інформація про роботу всього пристрою і навантаження. Якщо є така необхід­ність, ця інформація може бути відображена на пристроях індикації або зафіксована на відповідних носіях інформації. Як блок завдання режимів БЗР може використовуватися пульт керу­вання перетворювальної системи, або зовнішній пристрій програмного керування - керуюча ЕОМ.

Один з можливих алгоритмів роботи комп'ютерної системи керува­ння може бути таким.

Після надходження команди на пуск перетворювальної системи контролюється готовність системи до роботи. При цьому перевіряється наявність необхідних напруг живлення і їх відповідність заданим зна­ченням. Якщо на цьому етапі виявлені відхилення, формується команда заборони пуску. Можлива також діагностика причини заборони пуску.

Якщо відхилення параметрів у межах допусків, відбувається пуск системи. У більшості випадків елементи перетворювальної системи вмикаються у певній послідовності, оскільки при вмиканні у будь якому блоці відбувається перехідний процес, протягом якого вихідні параметри блока відрізняються від номінальних. Оскільки у перетворювальній системі робота всіх блоків взаємопов'язана, відхилення параметрів окремих блоків може порушити нормальну роботу інших блоків і навіть всієї системи. При вмиканні силових перетворювальних модулів бажано забезпечити певну тривалість і характер перехідного процесу - плавний пуск. Усі ці функції у відповідності із заданою програмою здійснює комп’ютерна система керування.

Після запуску перетворювальної системи, комп'ютерна система ке­рування підтримує задані параметри електричної енергії на навантаженні, порівнюючи реальні параметри із заданими. У разі необхідності вона коригує сигнали керування. Одночасно з цим відбувається безпе­рервний контроль параметрів елементів системи. Якщо відхилення цих параметрів від номінальних перевищує допустиму величину, формується сигнал попередження або вимикається система.

Мікропроцесорне керування перетворювачами дає можливість вдосконалювати апаратуру, її експлуатацію і обслуговування, а також забезпечити необхідну гнучкість керування. Мікропроцесорні системи керування до­цільно застосовувати для забезпечення складних алгоритмів керування, реалізація яких іншими засобами пов'язана із значними труднощами. Такі системи дають можливість підвищити точність і надійність сис­тем, підвищити стабільність їх характеристик і значно розширити пе­релік функції, які виконує система.

 

Контрольні питання

1.        Назвіть основні схеми трифазних випрямлячів.

2.        Поясніть принцип дії трифазного випрямляча з нульовим виводом (схема Міткевича) при роботі на активне навантаження.

3.        В чому полягає основний недолік схеми Міткевича?

4.        Яким чином можна усунути вимушене намагнічування осердя трансформатора в схемі Міткевича?

5.        Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій вихідної напруги в схемі Міткевича?

6.        Чому дорівнює максимальне значення зворотної напруги на вентилі в схемі Міткевича?

7.        Поясніть принцип дії шестифазного випрямляча з нульовим виводом  при роботі на активне навантаження.

8.        Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій вихідної напруги в схемі шестифазного випрямляча з нульовим виводом?

9.        Які переваги дає з’єднання первинних обмоток трансформатора  трикутником в схемах випрямлячів з нульовим виводом?

10.    Чому дорівнює середнє значення вихідної напруги в схемі некерованого трифазного випрямляча з нульовим виводом при роботі на активне навантаження?

11.   Чи залежить середнє значення вихідної напруги в схемах некерованих багатофазних випрямлячах з нульовим виводом від кількості фаз вторинних обмоток трансформатора?

12.   Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій вихідної напруги в схемах некерованих багатофазних випрямлячів з нульовим виводом?

13.   Чому дорівнює середнє значення струму вентиля в схемах некерованих багатофазних випрямлячів з нульовим виводом?

14.   Чи залежить діюче значення струму первинної обмотки трансформатора в схемах некерованих багатофазних випрямлячів з нульовим виводом від кількості фаз вторинних обмоток трансформатора?

15.   При яких кутах керування забезпечується неперервність струму навантаження в схемі керованого трифазного випрямляча з нульовим виводом при роботі на активне навантаження?

16.   При якому куті керування в схемі керованого трифазного випрямляча з нульовим виводом при роботі на активне навантаження вихідна напруга дорівнює нулю?

17.   Скільки вентилів одночасно проводять струм в схемі трифазного мостового випрямляча (схема Ларіонова) при роботі на активне навантаження?

18.   Чому дорівнює тривалість роботи кожного вентиля в схемі трифазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження?

19.   Чому дорівнює коефіцієнт пульсацій вихідної напруги в схемі трифазного мостового випрямляча?

20.   При яких кутах керування забезпечується неперервність струму навантаження в схемі керованого трифазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження?

21.   При яких кутах керування  в схемі керованого трифазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження наступає режим перервного струму навантаження?

22.   Наведіть вираз для регулювальної характеристики трифазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження та кутах керування ?

23.   Наведіть вираз для регулювальної характеристики трифазного мостового випрямляча при роботі на активне навантаження та кутах керування ?

24.   Назвіть основні переваги трифазного мостового випрямляча (схеми Ларіонова)?

25.   З якою метою в схемі трифазного мостового випрямляча первинні обмотки трансформатора з’єднують трикутником?

26.   Наведіть часові діаграми роботи трифазного мостового випрямляча (схеми Ларіонова) при роботі на активне навантаження та кутах керування ; ; ; .

27.   Від чого залежить форма струму навантаження в схемі Міткевича при навантаженні?

28.   Чи залежить від кута керування  форма струму навантаження в схемі Міткевича при навантаженні за умови ?

29.   Чому дорівнюють значення прямої та зворотної напруги на вентилях  в керованому випрямлячі за схемою Міткевича?

30.   Як залежить коефіцієнт потужності керованого випрямляча за схемою Міткевича від кута керування ?

31.   З якою метою в схемі випрямляча за схемою Міткевича включають нульовий вентиль ?

32.   В чому полягає основна перевага трифазного випрямляча з вирівнювальним реактором (схеми Кюблера)?

33.   За рахунок чого компенсується потік вимушеного підмагнічування осердя трансформатора у випрямлячі за схемою Кюблера?

34.   За якої умови  випрямляч за схемою Кюблера переходить у режим роботи шестифазного випрямляча з нульовим виводом?

35.   Наведіть основні схеми компенсаційних випрямлячів. З якою метою їх використовують?

36.   При яких кутах керування  в схемі керованого трифазного мостового випрямляча при роботі на навантаження  з’являються негативні ділянки вихідної напруги?

37.   При яких кутах керування в схемі керованого трифазного мостового випрямляча  доречно включати нульовий вентиль ?

38.   За рахунок чого підвищується коефіцієнт потужності трифазного мостового випрямляча при включенні нульового вентиля ?

39.   Назвіть три основних режими роботи схеми Ларіонова при навантаженні в залежності від кута комутації .

40.   Скільки вентилів одночасно проводять струм у схемі Ларіонова при  куті комутації ?

41.   Скільки вентилів одночасно проводять струм у схемі Ларіонова при  куті комутації ?

42.   Скільки вентилів одночасно проводять струм у схемі Ларіонова при  куті комутації ?

43.   Наведіть та поясніть хід сім'ї зовнішніх характеристик для схеми Ларіонова.

44.   Поясніть виникнення кута керування  у схемі Ларіонова на некерованих вентилях при короткому замиканні в навантаженні.

45.   Наведіть основні схеми випрямлячів для живлення двигунів постійного струму.

46.   У яких основних режимах можуть працювати схеми випрямлячів для живлення двигунів постійного струму.

47.   Як визначається коефіцієнт пульсацій струму в схемах випрямлячів для живлення двигунів постійного струму.

48.   Чи залежать граничні кути керування, що забезпечують режим неперервного струму, від схеми випрямляча? Якщо залежать, то як?

49.   Поясніть принцип дії трифазного інвертора веденого мережею.

50.   Від чого залежить величина початкового стрибка зворотної напруги на вентилях трифазного інвертора веденого мережею? До яких наслідків це може привести?

51.   Назвіть два основних фактори, від яких залежить стійкість роботи трифазного інвертора веденого мережею.

52.   До яких наслідків можуть привести пропуски вмикання чергового тиристора в трифазному інверторі веденому мережею? Як їх усунути?

53.   Назвіть основні переваги багатопульсних схем випрямлячів.

54.   Назвіть основні способи побудови схем багатопульсних випрямлячів.

55.   Чому дорівнюють коефіцієнти пульсацій у схемах 12-ти, 18-ти, 24-х пульсних випрямлячів?

56.   Для чого застосовують реверсивні схеми випрямлячів?

57.   Назвіть два основних види схем  реверсивних випрямлячів.

58.   Наведіть схеми зустрічно-паралельних та перехресних реверсивних випрямлячів.

59.   Яким чином забезпечується зміна напряму обертання валу елктричної машини?

60.   В чому полягає спільне та роздільне керування реверсивними випрямлячами?

61.   Що таке вирівнювальний контур та вирівнювальний струм?

62.   Який режим нпзивають узгодженим?

63.   В яких випадках в схемах реверсивних випрямлячів доцільно використовувати спільне керування, а в яких – роздільне?

64.   Назвіть основні способи регулювання (стабілізації) вихідної напруги керованих випрямлячів.

65.   В чому полягає ступеневе регулювання вихідної напруги керованих випрямлячів?

66.   Наведіть регулювальну характеристику випрямляча зі ступневим регулюванням вихідної напруги.

67.   Назвіть основні схеми фазового регулювання вихідної напруги керованих випрямлячів.

68.   Які схеми випрямлячів відносять до несиметричних?

69.   Назвіть основні переваги та недоліки несиметричного трифазного випрямляча.

70.   Назвіть основні функції, які забезпечує система керування?

71.   Наведіть узагальнену структурну схему системи керування випрямляча та поясніть призначення її елементів.

72.   Наведіть структурну схему багатоканальної системи керування. Назвіть її переваги та недоліки.

73.   Наведіть структурну схему одноканальної системи керування. Назвіть її переваги та недоліки

74.   Що таке синхронні та асинхронні системи керування?

75.   В яких випадках доцільно використовувати асинхронні системи керування?

 

 

РОЗДІЛ 2.                    ІМПУЛЬСНІ РЕГУЛЯТОРИ ПОСТІЙНОЇ НАПРУГИ

 

Силові електронні пристрої широко застосовуються для перетворення та регулювання параметрів електричної енергії. Найчастіше вони є джерелами вторинного електроживлення споживачів електричної енергії і забезпечують їх електричною енергією з необхідними параметрами і відповідної якості. В процесі роботи споживачів електричної енергії дуже часто виникає необхідність регулювати кількість електричної енергії, що споживається, або підтримувати її на заданому рівні. Цього можна досягти за рахунок зміни величини напруги або струму, що подається на навантаження. Пристрої, що забезпечують регулювання струму або напруги на навантаженні називають регуляторами.

 

2.1.   Принципи імпульсного регулювання постійної напруги

 

 Імпульсні регулятори використовують для живлення навантажень сталою напругою U_н , величина якої відрізняється від напруги джерела живлення U_d. Як навантаження можуть використовуватися різні електронні схеми, обмотки збудження електричних машин, електромагнітні механізми, двигуни постійного струму. Головна перевага імпульсного метода регулювання – високий ККД.

Розглянемо основні особливості імпульсного регулятора з ідеальним ключем. Опір ідеального ключа у замкненому стані дорівнює нулю. Отже, на ньому немає падіння напруги і при будь-якому струмі втрати потужності дорівнюють нулю. У розімкненому стані опір ідеального ключа є нескінченним. Отже, струм через ключ не протікає і втрати потужності також дорівнюють нулю. Перехід ідеального ключа із замкненого стану в розімкнений і навпаки відбувається миттєво (t_{перемик.}= 0). і втрати потужності також відсутні. У реальних силових пристроях використовують силові напівпровідникові прилади, які працюють у ключовому режимі. Ці прилади не є ідеальними ключами, оскільки мають кінцеве значення опору як у ввімкненому стані, так і у вимкнутому стані. Крім того, перехід з одного стану в інший відбувається також за кінцевий час. ККД силових електронних пристроїв завжди менший за 100%, проте достатньо високий і, як правило, перевищує (85-90)%. Тому імпульсі методи регулювання напруги та струму широко застосовуються в пристроях силової електроніки.

Принцип дії імпульсних регуляторів базується на використанні імпульсних методів регулювання напруги. При цьому регулюючий елемент РЕ працює в режимі ключа (рис.2.1).

 

Рис. 2.1 Імпульсний регулятор

 

Середнє значення напруги на навантаженні U_н регулюється за рахунок зміни співвідношення між тривалостями замкнутого і розімкнутого стану ключа S. Напруга на навантаженні u_н має форму прямокутних імпульсів (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Напруга на навантаженні

 

 

Середнє значення напруги на навантаженні:

                                              (2.1)

де t_i – тривалість імпульсу напруги на навантаженні; t_n – тривалість паузи між імпульсами; Т=t_i+t_n  – період повторення імпульсів;  –коефіцієнт заповнення імпульсів.

Діюче значення вихідної напруги на навантаженні:

.                 (2.2)

Плавна зміна g  від 0 до 1 забезпечує плавне регулювання U_н практично від 0 до U_d.

У схемах регуляторів сталої напруги як регулюючий елемент (ключ) використовують транзистори або тиристори. Тиристори (одноопераційні) за своїм принципом дії є напівкерованими ключами. При їх роботі в колах сталого струму треба застосовувати вузли примусової комутації. Тому спочатку розглянемо особливості побудови і роботу імпульсних регуляторів на повністю керованих ключах, а потім особливості імпульсних регуляторів сталої напруги на тиристорах.

З (2.1) випливає, що при сталій напрузі джерела живлення U_d, середнє значення напруги на навантаженні U_н можна регулювати змінюючи параметри імпульсної наруги: тривалість імпульсу t_i, паузи t_п, або період повторення Т (частоту слідування f). Відповідно до цього розрізняють такі способи імпульсного регулювання:

Широтно-імпульсне регулювання (ШІР), при якому змінюється тривалість (ширина) імпульсів (t_і = var), а період їх повторення залишається сталим (Т = const).

Частотно-імпульсне регулювання (ЧІР) характеризується тим, що регулювання здійснюється шляхом зміни періоду повторення імпульсів Т (частоти їх слідування f = 1/Т).

При цьому можливі такі випадки:

а)  = const;  = var;   б)  = var;  = const;   в)  = var;  = var.

Останній випадок, при якому одночасно змінюються усі параметри імпульсів називають комбінованим регулюванням.

Імпульсні регулятори сталої напруги крім регулювання середнього значення напруги на навантаженні використовуються для підтримування її на заданому рівні (стабілізації).

В режимі регулювання основною характеристикою є регулювальна характеристика – залежність середнього значення вихідної напруги від величини регульованого параметра.

Для широтно-імпульсного регулювання (ШІР) регульованим параметром є тривалість імпульсу t_i . У режимі регулювання вважають, що напруга джерела живлення U_d залишається сталою. Максимально можлива напруга на навантаженні U_{н max} = U_d. Для зручності використання регулювальні характеристики доцільно подавати у відносних одиницях. Введемо параметр відносна напруга на навантаженні, як  У цьому випадку регулювальна характеристика широтно-імпульсного регулятора у відносних одиницях матиме такий вигляд:

,                                                 (2.3)

При частотно-імпульсному регулюванні (ЧІР) регульованим параметром є частота імпульсів t. Відносна напруга на навантаженні . Враховуючи, що максимальна частота імпульсів , регулювальна характеристика для  ЧІР-а у  відносних  одиницях  має   такий

вигляд:

,                                                    (2.4)

де  - відносна частота імпульсів.

На рис. 2.3 наведено графік регулювальної характеристики для широтно-імпульсного та для частотно-імпульсного регулювання. Наведений графік дозволяє визначити для заданої напруги на навантаженні U_н величину регульованого параметра, або для заданого регульованого параметра – середнє значення напруги U_н.

 

Рис. 2.3 Регулювальна характеристика для широтно-імпульсного та  частотно-імпульсного регулювання

 

 

При комбінованому регулюванні, при якому одночасно змінюються параметри імпульсів t_i, t_п, система керування повинна одночасно регулювати обидва ці параметри. При цьому вихідна напруга U_н є функцією двох змінних і такий регулятор може мати безліч регулювальних характеристик. Комбіноване регулювання застосовується при стабілізації напруги, зокрема в двопозиційних стабілізаторах.

 

 

2.2.   Згладжування пульсацій імпульсної напруги

 

Напруга на виході регулюючого елемента u_н є імпульсною (див. рис.2.2). Для одержання на навантаженні сталої напруги, що дорівнює середньому значенню вихідної напруги U_н, між регулюючим елементом і навантаженням вмикають згладжувальний фільтр. В імпульсних регуляторах найчастіше використовують індуктивний L- фільтр (рис.2.4) або індуктивно-ємнісний LC – фільтр (рис.2.5). Використання тільки ємнісного фільтру неможливе, оскільки конденсатор завжди прагне зарядитися до максимального значення вхідної напруги, і це не дає можливості  регулювати напругу на навантаженні шляхом зміни відносної тривалості імпульсів t_i /Т. Крім того при ємнісному фільтрі виникали б великі струми підзаряду конденсатора.  Резистивно-ємнісні RC фільтри також практично не використовуються, оскільки вони не дають можливість використати головну перевагу імпульсних регуляторів – їх високий ККД.

Рис. 2.4 Регулюючий елемент з індуктивним фільтром

 

Рис. 2.5 Регулюючий елемент з індуктивно-ємнісним фільтром