Μονοφασικοί ανορθωτές - σχήματα και αρχή λειτουργίας

Ο ανορθωτής είναι μια συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει μια τάση εναλλασσόμενου ρεύματος εισόδου σε τάση συνεχούς ρεύματος. Η κύρια μονάδα του ανορθωτή είναι ένα σετ φλεβοπρίονων που μετατρέπουν απευθείας την τάση AC σε DC.

Εάν είναι απαραίτητο να αντιστοιχιστούν οι παράμετροι του δικτύου με τις παραμέτρους του φορτίου, το σετ ανορθωτή συνδέεται στο δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή που ταιριάζει. Σύμφωνα με τον αριθμό των φάσεων του δικτύου τροφοδοσίας, οι ανορθωτές είναι μονοφασικοί και τρεις φάσεις… Δείτε περισσότερες λεπτομέρειες εδώ — Ταξινόμηση ανορθωτών ημιαγωγών… Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε τη λειτουργία μονοφασικών ανορθωτών.

Μονοφασικός ανορθωτής μισού κύματος

Το απλούστερο κύκλωμα ανορθωτή είναι ένας μονοφασικός ανορθωτής μισού κύματος (Εικ. 1).

Ρύζι. 1. Σχηματική απεικόνιση μονοφασικού ελεγχόμενου ανορθωτή μισού κύματος

Τα σχήματα λειτουργίας του ανορθωτή φορτίου R φαίνονται στο σχήμα 2.

Ρύζι. 2. Σχέδια λειτουργίας του ανορθωτή για φορτίο R

Για να ανοίξετε το θυρίστορ, πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις:

1) το δυναμικό της ανόδου πρέπει να είναι υψηλότερο από το δυναμικό της καθόδου.

2) Πρέπει να εφαρμοστεί ένας παλμός ανοίγματος στο ηλεκτρόδιο ελέγχου.

Για αυτό το κύκλωμα, η ταυτόχρονη εκπλήρωση αυτών των συνθηκών είναι δυνατή μόνο κατά τη διάρκεια θετικών μισών κύκλων της τάσης τροφοδοσίας. Ένα σύστημα ελέγχου παλμικής φάσης (SIFU) θα πρέπει να σχηματίζει παλμούς ανοίγματος μόνο σε θετικά NSsoluneriods της τάσης τροφοδοσίας.

Όταν κάνετε αίτηση για θυρίστορ VS1 του παλμού ανοίγματος τη στιγμή που ανοίγει θ = α θυρίστορ VS1 και η τάση τροφοδοσίας U εφαρμόζεται στο φορτίο1 κατά το υπόλοιπο του θετικού μισού κύκλου (μπροστινή πτώση τάσης στη βαλβίδα ΔUv ασήμαντη σε σύγκριση με την τάση U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Εφόσον το φορτίο R — ενεργό, τότε το ρεύμα στο φορτίο επαναλαμβάνει το σχήμα της τάσης.

Στο τέλος του θετικού μισού κύκλου, το ρεύμα φορτίου i και η βαλβίδα VS1 θα μειωθούν στο μηδέν (θ = nπ) και η τάση U1 θα αλλάξει πρόσημο. Επομένως, εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στο θυρίστορ VS1, υπό τη δράση του οποίου κλείνει και αποκαθιστά τις ιδιότητες ελέγχου του.

Αυτή η μεταγωγή βαλβίδων υπό την επίδραση της τάσης της πηγής ισχύος, η οποία αλλάζει περιοδικά την πολικότητα της, ονομάζεται φυσική.

Μπορεί να φανεί από τα διαγράμματα ότι μια αλλαγή σε ένα καλώδιο οδηγεί σε αλλαγή μέρους του θετικού μισού κύκλου κατά τον οποίο εφαρμόζεται η τάση τροφοδοσίας στο φορτίο, και επομένως αυτό οδηγεί σε ρύθμιση της κατανάλωσης ισχύος. Η έγχυση α χαρακτηρίζει την καθυστέρηση στη στιγμή ανοίγματος του θυρίστορ σε σύγκριση με τη στιγμή του φυσικού ανοίγματός του και ονομάζεται γωνία ανοίγματος (ελέγχου) της βαλβίδας.

Το emf και το ρεύμα ανορθωτή είναι διαδοχικά τμήματα θετικών ημιτονοειδών κυμάτων, σταθερών ως προς την κατεύθυνση αλλά όχι σταθερά σε μέγεθος, δηλ. το ανορθωμένο EMF και το ρεύμα έχουν περιοδικό παλμικό χαρακτήρα. Και οποιαδήποτε περιοδική συνάρτηση μπορεί να επεκταθεί στη σειρά Fourier:

e (t) = E + en(T),

όπου E είναι η σταθερή συνιστώσα του διορθωμένου EMF, en(T) — μεταβλητή συνιστώσα ίση με το άθροισμα όλων των αρμονικών συνιστωσών.

Έτσι, μπορούμε να υποθέσουμε ότι ένα σταθερό EMF παραμορφωμένο από τη μεταβλητή συνιστώσα en (t) εφαρμόζεται στο φορτίο. Το μόνιμο στοιχείο του EMF E είναι το κύριο χαρακτηριστικό του διορθωμένου EMF.

Η διαδικασία ρύθμισης της τάσης φορτίου με αλλαγή της ονομάζεται έλεγχος φάσης... Αυτό το σχήμα έχει πολλά μειονεκτήματα:

1) υψηλή περιεκτικότητα σε υψηλότερες αρμονικές στο διορθωμένο EMF.

2) μεγάλοι κυματισμοί EMF και ρεύματος.

3) διακοπτόμενη λειτουργία κυκλώματος.

4) χρήση χαμηλής τάσης κυκλώματος (kche =0,45).

Ο τρόπος λειτουργίας του ρεύματος διακοπής του ανορθωτή είναι ένας τέτοιος τρόπος κατά τον οποίο διακόπτεται το ρεύμα στο κύκλωμα φορτίου του ανορθωτή, δηλ. γίνεται μηδέν.

Μονοφασικός ανορθωτής μονού μισού κύματος όταν λειτουργεί με ενεργό επαγωγικό φορτίο

Τα διαγράμματα χρονισμού της λειτουργίας ανορθωτή μισού κύματος για φορτίο RL φαίνονται στο Σχ. 3.

Ρύζι. 3. Διαγράμματα λειτουργίας ανορθωτή μισού κύματος για φορτίο RL

Για να αναλύσουμε τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στο σχήμα, ας διαθέσουμε τρία χρονικά διαστήματα.

1. α <θ <δ… Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο σχ. 4.

Σχετικά με. 4. Ισοδύναμο κύκλωμα για α <θ <δ

Σύμφωνα με το ισοδύναμο σχήμα:

Κατά τη διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήματος, το eL (EMF αυτο-επαγωγής) πολώνεται πίσω στην τάση δικτύου U1 και αποτρέπει την απότομη αύξηση του ρεύματος. Η ενέργεια από το δίκτυο μετατρέπεται σε θερμότητα στο R και συσσωρεύεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με επαγωγή L.

2. α <θ < π. Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο Σχ. 5.

Σύκο. 5… Ισοδύναμο κύκλωμα για α <θ < π

Σε αυτό το διάστημα, το EMF της αυτοεπαγωγής eL άλλαξε πρόσημο (αυτή τη στιγμή θ = δ).

Στο θ δ dL αλλάζει πρόσημο και τείνει να διατηρεί το ρεύμα στο κύκλωμα. Κατευθύνεται σύμφωνα με το U1. Σε αυτό το διάστημα, η ενέργεια από το δίκτυο και συσσωρευμένη στο πεδίο της επαγωγής L μετατρέπεται σε θερμότητα στο R.

3. π θ α + λ. Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο Σχ. 6.

Ρύζι. 6 Ισοδύναμο κύκλωμα

Κάποια στιγμή στο χρόνο θ = π η τάση γραμμής U1 αλλάζει την πολικότητα της, αλλά το θυρίστορ VS1 παραμένει στην αγώγιμη κατάσταση επειδή το egL υπερβαίνει το U1 και η τάση προς τα εμπρός διατηρείται κατά μήκος του θυρίστορ. Το ρεύμα υπό τη δράση των dL θα ρέει μέσω του φορτίου προς την ίδια κατεύθυνση, ενώ η ενέργεια που αποθηκεύεται στο πεδίο της επαγωγής L δεν θα καταναλωθεί πλήρως.

Σε αυτό το διάστημα, μέρος της ενέργειας που συσσωρεύεται στο επαγωγικό πεδίο μετατρέπεται σε θερμότητα στην αντίσταση R και μέρος μεταδίδεται στο δίκτυο. Η διαδικασία μεταφοράς ενέργειας από ένα κύκλωμα συνεχούς ρεύματος σε ένα κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος ονομάζεται αντιστροφή… Αυτό αποδεικνύεται από τα διαφορετικά πρόσημα των e και i.

Η διάρκεια της ροής του ρεύματος στην τομή με αρνητική πολικότητα U1 εξαρτάται από την αναλογία μεταξύ των μεγεθών L και R (XL=ωL). Όσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία — ωL/R, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάρκεια της ροής ρεύματος λ.

Εάν υπάρχει επαγωγή στο κύκλωμα φορτίου L, τότε το σχήμα του ρεύματος γίνεται πιο ομαλό και το ρεύμα ρέει ακόμη και σε περιοχές αρνητικής πολικότητας U1... Σε αυτήν την περίπτωση, το θυρίστορ VS1 δεν κλείνει κατά τη μετάβαση της τάσης U1 στο 0 και αυτή τη στιγμή το ρεύμα πέφτει στο μηδέν. Αν ωL/ R→oo, τότε σε α = 0 λ → 2π.

Η αρχή της λειτουργίας ενός μονοφασικού ανορθωτή γέφυρας σε συνεχή λειτουργία κατά τη λειτουργία ενεργών και ενεργών-επαγωγικών φορτίων

Το κύκλωμα ισχύος ενός μονοφασικού ανορθωτή γέφυρας φαίνεται στο Σχ. 7, και τα χρονικά διαγράμματα της εργασίας του στο ενεργό φορτίο φαίνονται στο σχ. οκτώ.

Η γέφυρα βαλβίδας (Εικ. 7) περιέχει δύο ομάδες βαλβίδων — κάθοδος (μονές βαλβίδες) και ανόδου (ζυγές βαλβίδες). Στο κύκλωμα γέφυρας, το ρεύμα μεταφέρεται ταυτόχρονα από δύο βαλβίδες — μία από την ομάδα καθόδων και μία από την ομάδα ανόδου.

Όπως φαίνεται από το σχ. 7, οι πύλες είναι ενεργοποιημένες έτσι ώστε κατά τη διάρκεια των θετικών μισών κύκλων της τάσης U2, το ρεύμα ρέει μέσω των πυλών VS1 και VS4 και κατά τη διάρκεια των αρνητικών μισών κύκλων μέσω των πυλών VS2 και VS3. Κάνουμε την υπόθεση ότι οι βαλβίδες και ο μετασχηματιστής είναι ιδανικοί, δηλ. Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Ρύζι. 7. Σχέδιο μονοφασικού ανορθωτή γέφυρας

Ρύζι. 8. Σχέδια λειτουργίας μονοφασικού ανορθωτή ελεγχόμενης γέφυρας σε ωμικό φορτίο

Σε αυτό το κύκλωμα, ανά πάσα στιγμή, ένα ζεύγος θυρίστορ VS1 και VS4 άγει ρεύμα σε θετικούς μισούς κύκλους U2 και VS2 και VS3 σε αρνητικό. Όταν όλα τα θυρίστορ είναι κλειστά, η μισή τάση τροφοδοσίας εφαρμόζεται σε καθένα από αυτά.

Στο θ =α ανοίξτε τα VS1 και VS4 και το φορτίο αρχίζει να ρέει μέσα από τα ανοιχτά VS1 και VS4. Τα προηγούμενα VS2 και VS3 λειτουργούν με πλήρη τάση δικτύου προς την αντίστροφη κατεύθυνση.Όταν v = l-, το U2 αλλάζει πρόσημο και αφού το φορτίο είναι ενεργό, το ρεύμα μηδενίζεται και εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στα VS1 και VS4 και κλείνουν.

Στο θ =π +α ανοίγουν τα θυρίστορ VS2 και VS3 και το ρεύμα φορτίου συνεχίζει να ρέει προς την ίδια κατεύθυνση. Το ρεύμα σε αυτό το κύκλωμα στο L = 0 έχει διακοπτόμενο χαρακτήρα και μόνο στο α= 0 το ρεύμα θα είναι οριακά συνεχές.

Η λειτουργία περιορισμού συνεχούς λειτουργίας είναι μια λειτουργία στην οποία το ρεύμα σε ορισμένες χρονικές στιγμές μειώνεται στο μηδέν, αλλά δεν διακόπτεται.

Upr.max = Uobr.max = √2U2 (με μετασχηματιστή),

Upr.max = Uobr.max = √2U1 (χωρίς μετασχηματιστή).

Λειτουργία κυκλώματος για ενεργό-επαγωγικό φορτίο

Το φορτίο R-L είναι τυπικό για περιελίξεις ηλεκτρικής συσκευής και περιελίξεις πεδίου ηλεκτρικών μηχανών ή όταν ένα επαγωγικό φίλτρο είναι εγκατεστημένο στην έξοδο του ανορθωτή. Η επίδραση της επαγωγής επηρεάζει το σχήμα της καμπύλης ρεύματος φορτίου καθώς και τις μέσες και αποτελεσματικές τιμές του ρεύματος μέσω των βαλβίδων και του μετασχηματιστή. Όσο μεγαλύτερη είναι η αυτεπαγωγή του κυκλώματος φορτίου, τόσο χαμηλότερη είναι η συνιστώσα του εναλλασσόμενου ρεύματος.

Για να απλοποιηθούν οι υπολογισμοί, θεωρείται ότι το ρεύμα φορτίου εξομαλύνεται τέλεια (L→oo). Αυτό είναι νόμιμο όταν ωNSL> 5R, όπου ωNS — η κυκλική συχνότητα της εξόδου του ανορθωτή κυματίζει. Εάν πληρούται αυτή η προϋπόθεση, το σφάλμα υπολογισμού είναι ασήμαντο και μπορεί να αγνοηθεί.

Τα διαγράμματα χρονισμού της λειτουργίας ενός μονοφασικού ανορθωτή γέφυρας για ένα ενεργό-επαγωγικό φορτίο φαίνονται στο Σχ. εννέα.

Ρύζι. 9. Σχέδια λειτουργίας μονοφασικού ανορθωτή γέφυρας όταν λειτουργεί με φορτίο RL

Για να εξετάσουμε τις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα στο σχήμα, θα διαχωρίσουμε τρεις τομείς εργασίας.

1. α. Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο Σχ.δέκα.

Ρύζι. 10. Ισοδύναμο κύκλωμα ανορθωτή

Στο εξεταζόμενο διάστημα, η ενέργεια από το δίκτυο μετατρέπεται σε θερμότητα στην αντίσταση R και ένα μέρος συσσωρεύεται στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο της επαγωγής.

2. α <θ < π. Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο Σχ. έντεκα.

Ρύζι. 11. Ισοδύναμο κύκλωμα του ανορθωτή για α <θ < π

Σε μια χρονική στιγμή θ = δ το EMF αυτοεπαγωγής eL = 0 γιατί το ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή του.

Σε αυτό το διάστημα, η ενέργεια που συσσωρεύεται στην επαγωγή και καταναλώνεται από το δίκτυο μετατρέπεται σε θερμότητα στην αντίσταση R.

3. π θ α + λ. Το ισοδύναμο κύκλωμα που αντιστοιχεί σε αυτό το διάστημα φαίνεται στο Σχ. 12.

Ρύζι. 12. Ισοδύναμο κύκλωμα του ανορθωτή στο π θ α + λ

Σε αυτό το διάστημα, μέρος της ενέργειας που συσσωρεύεται στο επαγωγικό πεδίο μετατρέπεται σε θερμότητα σε αντίσταση R και μέρος επιστρέφει στο δίκτυο.

Η δράση του EMF αυτοεπαγωγής στο 3ο τμήμα οδηγεί στην εμφάνιση τμημάτων με αρνητική πολικότητα στην καμπύλη του διορθωμένου EMF και τα διαφορετικά πρόσημα των e και i δείχνουν ότι σε αυτό το διάστημα υπάρχει επιστροφή ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο.

Αν τη χρονική στιγμή θ = π + α η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στην αυτεπαγωγή L δεν καταναλωθεί πλήρως, τότε το ρεύμα i θα είναι συνεχές. Όταν σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή εξυπηρετούνται παλμοί ανοίγματος θ = π + α στα θυρίστορ VS2 και VS3, στα οποία παρέχεται τάση προς τα εμπρός από την πλευρά του δικτύου, ανοίγουν και μέσω αυτών εφαρμόζεται αντίστροφη τάση στα λειτουργικά VS1 και VS4 από το πλευρά δικτύου, ως αποτέλεσμα του οποίου κλείνουν, αυτός ο τύπος μεταγωγής ονομάζεται φυσικός.