Попов И.И. Основы энергетической электроники - файл n1.doc

приобрести
Попов И.И. Основы энергетической электроники
скачать (2749.2 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc21194kb.07.04.2004 23:33скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   30

3.3 Двухполупериодные выпрямители


Двухполупериодные выпрямители имеют большое значение в энергетической электронике. Они применяются для питания устройств небольшой мощности (источников питания, зарядных устройств, для регулирования скорости двигателей постоянного тока, особенно при низких напряжениях), а также для питания тяговых двигателей постоянного тока на электрическом транспорте при мощности до нескольких мегаватт.

Схемы исполняются в двух вариантах: со средней точкой (нулевая схема, рис. 3.9, а) и мостовая схема (рис. 3.9, б).

В нулевой схеме выпрямленный ток id течет попеременно через вентили V1 и V2 на интервале, когда напряжение на соответствующей вторичной полуобмотке трансформатора Т положительно.

В мостовой схеме, когда напряжение ив положительно, ток протекает через вентили V1 и V4; когда напряжение меняет полярность, ток протекает через вентили V2 и V3, так что в нагрузке ток сохраняет неизменное направление.

К
ривые выпрямленных напряжений имеют один и тот же вид для обеих схем. Поэтому временные диаграммы пригодны для обеих схем с учетом того, что переменные напряжения, действующие в нулевой схеме, обозначены u21 или u22 , а в мостовой – u2 или ­­-u2.
Рис.3.9. Двухполупериодные выпрямители: а – нулевая схема; б – мостовая схема

3.3.1 Работа на активную нагрузку


При поступлении полуволны напряжения u1 положительной полярности (интервал 0  ) на вторичных обмотках трансформатора действуют напряжения u21 и u22 с полярностью относительно нулевой точки (рис. 3.9, а без скобок). На интервале 0  вентиль V1 открыт, а V2 закрыт. На данном интервале ток вентиля V1 равен току нагрузки iV1 = id = u21/R. В последующем процессы в схеме повторяются: поочередно проводят ток то вентиль V1, то V2. Временные диаграммы при = 0 и  0 показаны на рис. 3.10, а и б.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud определяется из временной диаграммы:
Udio =U2m sind=d=2·U2/? ? 0.9U2 (3.9)
Поскольку величина Ud при расчете выпрямителя является заданной, значение вторичного напряжения трансформатора определяется из выражения:
U2 =Udi 0 = 1.1·Udi 0 (3.10)
К
оэффициент пульсаций по первой гармонике для двухполупериодного выпрямителя (нулевой и мостовой схем) составляет q = 0.67, т.е. амплитуда первой гармонической составляет 67% от Ud.
Рис. 3.10. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя

на активную нагрузку при = 0 (а) и  0 (б)
Так как ток id протекает через вентили поочередно, средний ток через каждый вентиль составит:

IV = Id /2 (3.11)
Когда ток проводит открытый вентиль, на закрытый вентиль действует обратное напряжение. При открытом вентиле V1 на V2 в обратном направлении действует суммарное напряжение двух полуобмоток трансформатора Т, в связи с чем URRM = 2u2, т.е.
URRM = 2U2 = Udi 0 (3.12)
Поскольку ток вторичной обмотки определяется анодным током соответствующего вентиля (i2 = iV ), то действующее значение тока вторичной обмотки будет:
I2 = =Id (3.13)
Ток i2 в первичной обмотке трансформатора Т имеет синусоидальную форму и для каждого полупериода определяется током вторичной обмотки с учетом коэффициента трансформации КТ:

I2m = U2 = Id (3.14)

откуда

I1 = = Id (3.15)

Временные диаграммы для случая  0 приведены на рис. 3.10, б. Среднее значение выпрямленного напряжения Udi определяется соотношением (3.6), а регулировочная характеристика – кривой рис. 3.6.

3.3.2 Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку.


Процессы в схеме при активно-индуктивной нагрузке рассмотрим при помощи временных диаграмм (рис. 3.11).



Рис. 3.11. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя при ра6оте на активно-индуктивную нагрузку при = 0 (а) и  0 (б)
Вследствие влияния индуктивности ток id в цепи нагрузки получается сглаженным и не спадает до нуля при нулевых значениях напряжения ud. Поскольку ток отстает по фазе от напряжения, максимумы id следуют с некоторой задержкой во времени относительно максимумов напряжения ud . Форма кривых тока и напряжения в нагрузке R одинакова. Поэтому кривая UdR имеет тот же вид, что и кривая id . Если дроссель идеальный, то среднее значение напряжения UdR на нагрузке будет равно среднему значению напряжения Ud на выходе выпрямителя, т.е. Udi 0 = UdR =0,9U2. Дроссель увеличивает длительность открытого состояния вентилей. Если , то выпрямленный ток имеет прерывистый характер; если > , то он непрерывен. В предположении Ld переменная составляющая ud будет полностью приложена к дросселю; а на нагрузке будет действовать только постоянная составляющая Ud.

Поскольку переключение вентилей осуществляется при изменении полярности напряжений u21 и u22 в моменты времени 0, , 2 и т.д., ток iV1 будет определяться током id на интервалах 0 – , 2 – 3 проводимости вентиля V1, а ток iV2 – током id на интервале – 2 проводимости вентиля V2. Форма кривых с увеличением Ld будет приближаться к прямоугольной. Среднее значение тока равно Id = Udi 0 /R , а среднее значение тока вентилей – IV = Id /2.

Аналогично анодным токам (токам вторичных обмоток трансформатора) изменяется и первичный ток id. Его кривая приближается к двуполярной кривой прямоугольной формы амплитудой Id T. В этом случае действующие значения вторичной и первичной обмоток трансформатора соответственно будут равны:

I2 = = Id /. (3.16)

I1== Id /KT (3.17)

Для варианта фазового регулирования с углом управления  временные диаграммы (в предположении Ld ) приведены на рис. 3.10, б. Можно считать, что выпрямленный ток практически идеально сглажен, если постоянная времени =L/R 1/(2f).

Величина отрицательного выброса на диаграмме выходного напряжения уменьшается с ростом угла регулирования при длительности управляющего импульса меньше /4. При длительности управляющего импульса, равной , величина отрицательного выброса растет с ростом угла .

Среднее значение, выпрямленного напряжения при этом зависит от угла согласно выражению:

Udi = Udi 0 · cos . (3.18)

Регулировочная характеристика выпрямителей при работе на активно-индуктивную нагрузку приведена на рис. 3.12.



Рис. 3.12. Регулировочная характеристика однофазного двухполупериодного выпрямителя

в режиме непрерывного тока
В отличие от нулевой схемы мостовая (рис. 3.9,б) может работать и без трансформатора. При этом отсутствует гальваническая развязка нагрузки с питающей сетью. В мостовой схеме одновременно открыты два вентиля. Например, при положительной полуволне напряжения u2 (на рис. 3.9, б полярности показаны без скобок) одновременно открыты вентили V1 и V4.

Ввиду идентичности кривых действительны соотношения (3.9) и (3.10) между величинами Ud и U2, также q=0,67. Поскольку ток Id=Ud /R распределяется поровну между парами вентилей, ток IV каждого из них может быть определен по (3.11).

Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим вентилям на интервале проводимости двух других вентилей. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u2.

URRM = U2 = Ud (3.19)

т.е. оно вдвое меньше, чем в нулевой схеме.

Выражение для действующего тока также отличается в силу того, что по сравнению со схемой с нулевой точкой ток i2 здесь не пульсирующий, а синусоидальный, и трансформатор имеет лишь одну вторичную обмотку. В этом случае

I2 = U2 / R = Ud / R = Id (3.20)

I1 = = (3.21)

Таким образом, преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать вентили. Основной недостаток – большее число вентилей.

3.3.3 Работа выпрямителя при активно-емкостной нагрузке.


Такая нагрузка создается при использовании конденсатора С для сглаживания кривой выпрямленного напряжения.

Включение конденсатора параллельно нагрузке изменяет режим работы выпрямителя по сравнению с работой при активной и активно-индуктивной нагрузках. Работа схемы, обусловливаемая процессами заряда и разряда конденсатора, характеризуется импульсным режимом. В отличие от предыдущих режимов работы для отпирания вентиля V1 или V2 недостаточно только лишь изменения отрицательной полуволны напряжений u21 или u22 на положительную. Требуется, чтобы указанные напряжения превысили напряжение на конденсаторе С, определяющее потенциал катодов вентилей V1 и V2 и выходного напряжения ud (рис. 3.13).

Пусть на интервале 0 – 1 имеем u21 > 0, u22 < 0, и напряжение на конденсаторе ud > | u2|. На этом интервале оба вентиля закрыты. Вентиль V2 закрыт, поскольку u22 < 0, и к нему прикладывается обратное напряжение, равное u22 + ud. Вентиль V1 заперт вследствие того, что напряжение его катода относительно нулевой точки, определяемое напряжением ud, превышает напряжение анода, создаваемое вторичным напряжением u21. На интервале 0 – 1 нагрузка R и конденсатор С отделены запертыми вентилями от вторичных обмоток трансформатора.



Рис. 3.13. Временные диаграммы однофазного двухполупериодного

выпрямителя на активно-емкостную нагрузку
Питание нагрузки производится от конденсатора, разряжающегося по экспоненциальному закону с постоянной времени ? = RС. В момент времени 1 u21 = ud, и вентиль V1 открывается, подключая конденсатор и нагрузку к напряжению u21 вторичной обмотки трансформатора. Интервал 1 - 2 соответствует заряду конденсатора под действием u21. Процесс заряда конденсатора заканчивается в момент 2 , когда напряжение на нем становится равным напряжению u21.

На интервале 2 - 3 вентили V1 и V2 закрыты и происходит разряд конденсатора на нагрузку. В момент времени 3 напряжение u22 становится равным ud. Вентиль V2 открывается, и на интервале 3 - 4 пропускает импульс зарядного тока iV2 конденсатора. В последующем процессы в схеме повторяются.

Кривая напряжения ud более сглажена, чем в предыдущих режимах работы выпрямителя. При постоянной времени = (4 – 8) / fc коэффициент пульсации выходного напряжения не превышает 0,02 – 0,04.

В то время как при активной и активно-индуктивной нагрузках среднее значение напряжения Udi 0 = 0,9·U2, при наличии конденсатора напряжение Udi 0 равно амплитудному значению U2, т.е.
Udi 0 = 1,41U2 (3.22)
Обратное напряжение на вентиле определяется разностью напряжений u2 и ud, поэтому включение конденсатора приводит к увеличению интервала действия обратного напряжения. Однако максимальное значение URRM, как и в предыдущих режимах, не превышает 2U2.






Рис. 3.14. Двухполупериодные схемы выпрямления с шунтирующим (нулевым) диодом:

нулевая (а), мостовая (б), временные диаграммы при = 0 (в) и  0 (г)

3.3.4 Схемы c «нулевым» диодом и мостовые несимметричные (полууправляемые) схемы.


Двухполупериодные схемы выпрямления, с нулевым (шунтирующим) диодом показаны на рис. 3.14.

Сглаживание постоянного тока при  0.улучшается, если в схеме активно-индуктивная нагрузка зашунтирована диодом V0. Шунтирующая цепь обеспечивает замыкание тока нагрузки на интервалах 0  и + и исключает на этих интервалах появление отрицательного напряжения на нагрузке. Из рис. 3.10, б видно, что при активно-индуктивной нагрузке вследствие отставания тока от напряжения по фазе вентиль остается открытым до момента , пока ток не спадает до нуля. В рассматриваемых схемах ток замыкается не по цепи вентилей V1 или V2, а по цепи V0. Вследствие этого вентили V1 и V2 запираются практически в момент времени, когда напряжение на их анодах станет равным нулю.

При увеличении угла регулирования уменьшается время заряда и увеличивается время разряда конденсатора, уменьшается средневыпрямленное напряжение конденсатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется соотношением (3.6), регулировочная характеристика соответствует рис. 3.6. К числу достоинств можно отнести улучшение коэффициента мощности за счет включения в схему нулевого диода.

Если в мостовой схеме (рис. 3.9, б) два тиристора заменить на диоды, то получится несимметричная или «полууправляемая» мостовая схема, которая работает так же, как и двухполупериодная схема выпрямления с нулевым диодом. Полууправляемая схема отличается меньшими затратами на вентили и систему управления, хорошим сглаживанием выпрямленного тока, улучшенным коэффициентом мощности.

Существуют два варианта несимметричного мостового выпрямителя. В одном из них тиристорами являются V1 и V3, а диодами V2 и V4, которые вместе выполняют роль нулевых диодов. В другом варианте в качестве вентилей V1 и V2, имеющих общий катодный потенциал, используются тиристоры V1 и V2. Поэтому система управления в этом случае может быть весьма простой. К числу достоинств этого варианта относится также неизменная длительность протекания тока через вентили, равная при любом , в то время как при первом варианте эта длительность для тиристоров равна , а для диодов – , что заставляет увеличить расчетную мощность последних. Однако при большой индуктивности нагрузки схема может работать нестабильно, если нагрузка не шунтирована добавочно нулевым диодом.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   30


3.3 Двухполупериодные выпрямители
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации