ЕЛЕКТРОТЕХНІКА У БУДІВНИЦТВІ

Напівпровідникові випрямлячі

Випрямлячем називається пристрій, призначений для перетворення змінного струму на постійний. На практиці застосовують багато схем випря­млячів як однофазного так і трифазного струму. Вибір тієї або іншої схеми ви­значається властивостями застосовуваних діодів і умовами роботи випрямляча. Наприклад, у випрямних агрегатах для зарядки акумуляторних батарей, де по­трібні невеликі значення випрямленої напруги, найбільш прийнятними вияви­лися схеми однофазного випрямлення з селеновими діодами. При випрямленні високих напруг до 1000 - 1500 В часто застосовують послідовне з'єднання діо­дів або застосовують діоди на великі значення извор.

Розглянемо роботу основних схем випрямлення однофазного і трифазно­го струму, припускаючи для простоти розрахунків і полегшення розуміння фі­зичної сутності процесів в елементах схем, що випрямляч працює на активне навантаження і складається з ідеальних діодів і трансформатора, що дозволяє знехтувати падіннями напруги, а також зворотними струмами діодів, індуктив­ностями і намагнічуючим струмом трансформатора.

Основними елементами випрямляча (рис. 13.10) є: силовий трансформа­тор 1, необхідний для узгодження вхідної Um і вихідної Ud напруг випрямляча, а також для електричного розділення живильної мережі і кола навантаження; блок випрямних елементів 2, що здійснює випрямлення змінного струму; згла­джуючий фільтр 3, який забезпечує зменшення пульсації випрямленого стру-

му в колі навантаження 4. Якщо випрямляч керований, то до блок-схеми вхо­дить ще вузол 6, який містить систему керування випрямним блоком (тиристо­рами). Для захисту випрямляча від пошкоджень при аварійних режимах до його схеми входить блок захисту і сигналізації 5.

У деяких випадках у схемі випрямляча можуть бути відсутні окремі еле­менти, наприклад фільтр 3, при роботі випрямляча на навантаження індуктив­ного характеру, або силовий трансформатор 1 у випадку безтрансформаторного включення випрямляча.

13.2.1. Випрямлячі однофазного струму. Розглянемо схему однонапівпері - одного однофазного випрямляча (рис. 13.11). У цій схемі трансформатор має одну вторинну обмотку, напруга и2 якої змінюється за синусоїдальним законом u2 = U2maxsintot. Струм у колі навантаження Rd проходить тільки в позитивні напівперіо - ди (рис. 13.11 ,б), коли точка а вторинної обмотки, до якої приєднаний анод діода VD, має позитивний потенціал відносно точки б. У негативні напівперіоди (інтервал часу t1 - t2) до діода VD прикладається зворотна напруга, і він буде закритий.

Випрямлена напруга ud описується позитивними напівхвилями напруги u2 вторинної обмотки трансформатора. Середнє за період значення напруги на на­вантаженні називається випрямленою напругою Ud. Струм у навантаженні Rd проходить в одному напрямку, але має пульсуючий характер і являє собою ви­прямлений струм id.

Випрямлені напруга ud і струм id містять постійну складову Ud і Id і змінну складову (пульсації) Ud~ і Id~. Якість роботи випрямляча оцінюють співвідно­шеннями між постійними складовими і пульсаціями напруги і струму.

Для однонапівперіодної схеми справедливі наступні співвідношення між напругами, струмами і потужностями в окремих елементах випрямляча.

Середнє значення випрямленої напруги

Udo = 0,45- U2. (13.11)

Максимальне значення зворотної напруги, що прикладається до діода в непровідну частину періоду:

Uзвор. max = V2- U2 = 3,14-U„o, (13.12)

де U2 - діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора Т.

Середнє значення струму, що проходить через діод і навантаження:

Ia = Id = Udo/Rd. (13.13)

Середня потужність, що віддається до навантаження, визначається добут­ком напруги Ud і струму Id, тобто Pd = Ud-Id.

Розрахункова (типова) потужність трансформатора, яка визначає його га­барити, в 3,09 раза більша за потужність у навантаженні Rd:

STP = 3,09 Ud-І*. (13.14)

Таким чином, розрахункова потужність трансформатора, навантаже­ного однонапівперіодним випрямлячем, більша за потужність у навантаженні, оскільки у його вторинній обмотці проходить несинусоїдальний струм, який має постійну і змінну складові, а в первинній обмотці, крім струму основної ча­стоти f наявні струми вищих гармонік. Стосовно мережі живлення ці струми є реактивними і, не створюючи корисної потужності, тільки нагрівають обмотки трансформатора випрямляча.

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора визначається співвідношенням

І2 = 1,57-І* . (13.15)

З формули (13.16) випливає, що показання амперметра електромагнітної системи A, який включений до кола вторинної обмотки трансформатора Т (рис. 13.11 ,а), будуть в 1,57 раза перевищувати показання магнітоелектричного амперметра А, оскільки перший вимірює діюче значення струму, а другий - се­редній струм у колі навантаження.

Діюче значення напруги вторинної обмотки

U2 = 2,22 •и* . (13.16)

Діюче значення струму первинної обмотки з урахуванням коефіцієнта трансформації kw = w1/w2

I1 = 1,51 Id. (13.17)

тр

Розглянута схема однонапівперіодного випрямляча має недоліки: погане використання трансформатора, велика зворотна напруга на діодах, великий ко­ефіцієнт пульсації випрямленої напруги.

До позитивних якостей даної схеми можна віднести її простоту (застосо­вується тільки один діод) і простоту живильного трансформатора.

Двонапівперіодна однофазна (нульова) схема складається з трансформа­тора, що має одну первинну і дві послідовно з'єднані вторинні обмотки з виво­дом загальної (нульової) точки цих обмоток (рис. 13.12,а). Коефіцієнт трансфо­рмації k^ визначається відношенням U1/U2, де U2 - напруга однієї вторинної обмотки (фазна напруга).

Вільні кінці вторинних обмоток а і б приєднують до анодів діодів VD1 і VD2, катоди яких з'єднують разом. Навантаження Rd включають між катодами діодів (позитивний полюс випрямляча), і нульовим виводом 0 трансформатора (негативний полюс випрямляча).

Діоди в цій схемі, як і вторинні обмотки трансформатора, працюють по черзі, пропускаючи до навантаження струм при позитивних значеннях анодних напруг и2а і и2б (рис. 13.12,б), в якості яких приймають напрямки, що збігаються з провідностями діодів.

Для даної схеми справедливі наступні співвідношення між напругами, струмами і потужностями в окремих елементах випрямляча.

Середнє значення випрямленої напруги при ідеальних діодах і трансфор­маторі

и*0 = 0,9- U2 . (13.18)

Діод, що не працює в негативну частину періоду, знаходиться під впливом зворотної напруги, яка дорівнює подвійній фазній, оскільки позитивний потенціал виводу а (б) вторинної обмотки трансформатора через відкритий діод VD1 (VD2) по­дається до катода діода VD2 (VD1), а анод закритого діода має негативний потенціал. Максимальне значення зворотної напруги

и„„р. т,х = 2л/2 • и2 - 3,12 • им. (13.19)

Середнє значення випрямленого струму в навантаженні

. (13.20)

Середнє значення струму через кожний діод в два рази менше за струм Id, що проходить через навантаження, тобто Іа = 0,5-Id.

Діюче значення струму діода Іадіюч дорівнює діючому значенню струму вторинної обмотки трансформатора І2 і визначається співвідношенням

І2 = 0,785- І* = 1,57-Іа. (13.21)

Діюче значення напруги вторинної обмотки

U2 = 1,11- Ud0 . (13.22)

Діюче значення струму первинної обмотки з урахуванням коефіцієнта трансформації ктр буде дорівнювати:

І1 - л/2—12 -1,11—L

(13.23)

к„

тр

Розрахункові потужності обмоток трансформатора визначаються добут­ками діючих значень струму і напруги:

S2 = 2-12- U2 = 2- 0,785- Id-1,11-Ud0 = 1,74Р; (13.24)

S1 = I1 - U1 = 1,11 -1-Id • 1,1 do = 1,23Pd. (13.25)

тр

Розрахункова потужність трансформатора

S, + S2 1,23 +1,74 „ , „

s„r == ’ 2' Pd = 1,48-Pd. (13.26)

Частота основної гармоніки змінної складової випрямленої напруги в да­ній схемі дорівнює подвійній частоті мережі 2fi. Коефіцієнт пульсації напруги на виході випрямляча

2 2

q = -2— = - г - = 0,67, (13.27)

m — 1 2 — 1

де т - число фаз випрямляча, тобто число напівхвиль випрямленої напруги, що доводиться на один період змінного струму, який живить випрямляч.

Однофазна мостова схема складається з трансформатора Т з двома обмотка­ми і чотирьох діодів VD1, VD2, VD3 і VD4, з'єднаних за схемою моста (рис. 13.13,а). До однієї діагоналі моста (точки 1, 3) приєднується вторинна обмотка, до іншої (точки 2, 4) включається навантаження Rd. Загальна точка катодів діодів VD1 і VD2 є позитив­ним полюсом випрямляча, а негативним - точка зв'язку анодів діодів VD3 і VD4.

Діоди в цій схемі працюють парами по черзі. У позитивний напівперіод на­пруги u2 проводять струм діоди VD1 і VD3, а до діодів VD2 і VD4 прикладається зво­ротна напруга й вони закриті. У негативний напівперіод напруги u2 будуть прово­дити струм діоди VD2 і VD4, а діоди VD1 і VD3 витримують зворотну напругу.

Струм id у навантаженні проходить весь час в одному напрямку - від з'єд­наних катодів діодів VD1 і VD2 до анодів діодів VD3 і VD4. Струм і2 у вторинній обмотці трансформатора (рис. 13.13,б) змінює свій напрямок кожний півперіод й буде синусоїдальним. Постійної складової струму у вторинній обмотці немає. Отже не буде підмагнічування осердя трансформатора постійним магнітним потоком. Струм у первинній обмотці трансформатора також є синусоїдальним.

Можливо використання цієї схеми випрямляча і без трансформатора, як­що напруга мережі u1 підходить за величиною для одержання необхідного зна­чення Ud0 і не потрібна ізоляція кола випрямленого струму від мережі.

13.2.2. Випрямлячі трифазного струму. За аналогією з схемами однофа­зного струму для випрямлення трифазного струму застосовують трифазну мос­тову схему. Трифазна мостова схема наведена на рис. 13.14. Випрямляч у да­ній схемі складається з трансформатора, первинні і вторинні обмотки якого з'єднуються в «зірку» або «трикутник», і шести діодів, які можуть бути розбиті на дві групи:

1) катодну або непарну (діоди VD 1, VD3 і VD5), у якої катоди діодів електрично зв'язані і їхній загальний вивід є позитивним полюсом для зовніш­нього кола, а аноди приєднані до виводів вторинних обмоток трансформатора;

2) анодну або парну (діоди VD2, VD4 і VD5), у якої аноди діодів елект­рично зв'язані між собою, а катоди з'єднуються з анодами першої групи. Зага­льна точка зв'язку анодів є негативним полюсом для зовнішнього кола.

У цій групі діодів протягом кожної третини періоду працює діод із най­більш високим потенціалом анода (рис. 13.14,б). В анодній групі в дану частину періоду працює той діод, катод якого має найбільш негативний потенціал сто­совно загальної точки анодів.

Діоди катодної групи відкриваються в момент перетинання позитивних ділянок синусоїд (точки а, б, в і г на рис. 13.14,б), а діоди анодної групи - в мо­мент перетинання негативних ділянок синусоїд (точки к, л, м і н). Кожний з діо­дів працює протягом однієї третини періоду (рис. 13.14,е).

При миттєвій комутації струму в трифазній мостовій схемі в будь-який момент часу проводять струм два діоди - один з катодної, інший з анодної гру­пи, при цьому будь-який діод однієї групи працює по черзі з двома діодами ін­шої групи, з'єднаними з різними фазами вторинної обмотки (рис. 13.14,г і д). Через кожну фазу трансформатора струм і2 буде проходити протягом 2/3 пері­оду: 1/3 періоду - позитивний і 1/3 - негативний. Струм id у навантаженні весь час проходить в одному напрямку.

Випрямлена напруга ud (рис. 13.14,в) у цій схемі описується верхньою ча-

стиною кривих міжфазних (лінійних) напруг и2Л (пунктирна крива на рис. 13.14,в). Частота пульсацій кривої иd дорівнює 6/ коефіцієнт пульсацій напруги на виході випрямляча дорівнює:

q - ^ - 0,057. (13.28)

1 62 -1

d 0

Зворотна напруга на закритому діоді визначається різницею потенціалів його катода й анода. Ординати кривої извор для діода VD1 показані на рис. 13.14,б штрихуванням, а на рис. 13.14,е крива извор зображена повністю.

Максимальне значення зворотної напруги на діоді в трифазній мостовій схемі дорівнює амплітуді лінійної напруги вторинної обмотки трансформатора.

Випрямлений струм id при роботі на чисто активне навантаження повніс­тю повторює криву иd (пунктирна крива на рис. 13.14,в).

Співвідношення між напругами і струмами в трифазній мостовій схемі наведені в табл. 13.2.

13.2.3. Керовані випрямлячі. У багатьох практичних випадках випрям­лячі повинні забезпечувати можливість плавного регулювання середнього зна­чення випрямленої напруги Ud, наприклад для регулювання частоти обертання двигунів постійного струму, при зарядці акумуляторних батарей та ін.

При використанні у випрямлячах некерованих діодів середнє значення випрямленої напруги Ud, як це видно з виразів (13.19), (13.31) і табл. 13.2, про­порційне напрузі и2ф. Тому регулювання Ud у цьому випадку можливе тільки за рахунок зміни напруги вторинної обмотки трансформатора. Більші можливості для регулювання випрямленої напруги дає застосування у схемах випрямлення керованих діодів - тиристорів.

Принцип дії керованого випрямляча. На рис. 13.15,а зображено одно­фазну нульову схему керованого випрямляча, що відрізняється від схеми на рис. 13.12,а тим, що некеровані діоди VD1 і VD2 замінені тиристорами VS1 і VS2. Аноди тиристорів приєднані до виводів вторинної обмотки, а керуючі електро­ди пов'язані з системою керування СК, що формує синхронно з напругою ме­режі керуючі імпульси напруги і дозволяє змінювати їхню фазу відносно фаз­них напруг и2а і и2б джерела живлення.

При використанні в схемі некерованих діодів діод VD1 відкрився б у мо­мент часу t0 (рис. 13.15,б), що є моментом природного відкриття діода. Тирис­тор відмикається при наявності позитивної напруги на аноді і відмикаючого ім­пульсу на керуючому електроді. Припустимо, що на керуючий електрод тирис­тора VS1 відмикаючий імпульс иу1 буде поданий у момент tj, отже, він відкри­ється з деякою затримкою відносно початку позитивної напруги и2а, в результа­ті чого в інтервалі t0 - t1 напруга на навантаженні Rd буде дорівнювати нулю, тому що обидва тиристори VS1 і VS2 закриті.

Кут затримки від моменту переходу напруги на аноді тиристора через нуль в позитивну область до моменту подачі керуючої напруги, виражений в елект­ричних градусах, називається кутом керування і позначається грецькою бук­вою а. У момент відкриття тиристора VS1 напруга щ на навантаженні Rd стриб-

При роботі випрямляча на активне навантаження крива випрямленого струму id повністю повторює форму кривої напруги ud (рис. 13.15,б і в). На рис. 13.15,г побудовано криву зворотної напруги извор на тиристорі VS1 для ви­падку роботи схеми з кутом регулювання а = 60°. В інтервалі t0 - t2 до тиристо­ра VS1 прикладена пряма напруга ипр = и2а, в інтервалі t1 - t2 тиристор VS1 є від­критим і падіння напруги на ньому практично дорівнює нулю. У момент t2, ко­ли струм id дорівнює нулю, тиристор VS1 закривається і до нього прикладається зворотна напруга, яка дорівнює фазній - и2а, оскільки тиристор VS2 також закри­тий. У момент t3 = п + а відкривається тиристор VS2 і до тиристора VS1 прикла­дається міжфазна напруга вторинної обмотки трансформатора, яка буде впли­вати на нього до моменту t4 = 2п, коли тиристор VS2 закриється. Надалі процеси в схемі будуть повторюватися через кожний період.

Очевидно, що коли змінювати кут а (зрушувати за фазою керуючі імпу­льси ик відносно напруги на анодах тиристорів), то будуть змінюватися час ро­боти тиристорів і відповідно величина випрямленої напруги, середнє значення якої буде визначатися виразом

1 + cosa

Ud = Vd 0------------- , (13.29)

де Ud0 - найбільше значення випрямленої напруги при повністю відкритих (a = 0) тиристорах VS1 і VS2 може бути підраховане за формулою (13.18).

При роботі випрямляча на активне навантаження і регулюванні випрям­леної напруги від 0 до Ud0, як видно з формули (13.29), кут регулювання a не­обхідно змінювати від a,^ = 180° до a^H = 0. Дійсно, якщо a = 180°, то cos180°= -1 і Ud = 0; при a = 0 cos0 = 1 і Ud = Ud0= 0,9- и2ф.

Отже робочий режим некерованого випрямляча є граничним, до якого наближається керований випрямляч при куті керування a = 0.

На відміну від некерованого випрямляча, діоди якого витримують тільки зворотну напругу, діоди керованого перетворювача повинні витримувати як пряму, так і зворотну напругу. При активному навантаженні максимальне зна­чення зворотної напруги на закритому в даний напівперіод тиристорі при кутах a < 90° дорівнює амплітуді напруги всієї вторинної обмотки трансформатора і (як у некерованій схемі) визначається виразом (13.19).

Значення прямої напруги ипр на закритому тиристорі при a < 90° зале­жить від кута регулювання в такий спосіб:

ипр = V2sina. (13.30)

При a = 90° значення ипр досягає максимуму. Середнє значення випрям­леного струму визначається як Id = Ud/Rd. При куті регулювання a = 0 у наван­таженні буде найбільший струм Id = Ud0/Rd.

Середнє значення струму через тиристор Іаср = 0,5 Id, діюче значення струму тиристора /адіюч і вторинної обмотки трансформатора I2, а також струму його первинної обмотки I1 при a = 0 визначаються відповідно за формулами (13.21) і (13.23). Кількісні співвідношення між іншими величинами для однофа­зної нульової схеми на керованих вентилях наведені в табл. 13.2.

Робота однофазної мостової схеми на тиристорах відрізняється від ро­боти однофазної мостової схеми випрямлення на діодах тим, що керуючі імпу­льси повинні подаватися одночасно на два тиристори, що розташовані у проти­лежних плечах випрямного мосту.

Криві випрямленої напруги и і випрямленого струму Id однофазної мос­тової схеми на тиристорах аналогічні відповідним кривим для однофазної ну­льової схеми на діодах. Кількісні співвідношення для струмів і напруг схеми наведені в табл. 13.2.

У трифазній нульовій схемі з тиристорами (рис. 13.16,а) керуючі імпу­льси подаються на них з деяким зсувом у часі стосовно моменту природного відкриття діодів у некерованій схемі, що відповідає точкам перетинання сину­соїд фазних напруг (точки а, б, в і г на рис. 13.16,б).

Нехай, наприклад, керуючі імпульси подаються на тиристори VS1, VS2, VS3 в моменти, які відповідають середині позитивних напівхвиль фазних напруг (це відповідає куту a = 60°). У цьому випадку на навантаженні виникають імпу­льси випрямленої напруги и у формі чверті синусоїди (рис. 13.16,в).

Рис.13.16 - Трифазний керований тиристорний випрямляч з нульовою точкою: а - схема; б - д - діаграми напруг і струмів в елементах

Зміна фази (зсув) керуючих імпульсів у бік збільшення або зменшення кута керування a викликає відповідне зменшення (рис. 13.14,б) або збільшення (рис. 13.16,г) імпульсів напруги и^ При куті a = 0 крива випрямленої напруги (рис. 13.16,д) матиме таку ж форму, як у некерованому випрямлячі. Очевидно, що крива струму id за своєю формою буде повторювати криву випрямленої на­пруги и при роботі випрямляча на активне навантаження. З цих кривих видно, що є дві характерні області роботи керованого випрямляча. Перша відповідає зміні кута регулювання в межах 0 < a < 30°, при цьому випрямлений струм буде безперервним, і середнє значення випрямленої напруги визначається виразом

Ud = Ud0 cosa. (13.31)

Кожний тиристор схеми в цьому разі працює одну третину періоду. Друга область відповідає кутам a > 30° і характеризується тим, що при проходженні фазних напруг через нуль (точки к, л, м, н на рис. 13.16,в) працюючий тиристор закривається, але оскільки на черговий тиристор, що вступає до роботи, відми­каючий імпульс ще не поданий, то в кривій випрямленої напруги виникають

паузи (нульові ділянки), протягом яких струм id = 0. Тривалість проходження струму через тиристор в цьому випадку буде менше 1/3- Т, і середнє значення випрямленої напруги визначається за формулою

Ud = ^ Udo [1 + cos(300 +а)]. (13.32)

Для трифазної нульової схеми при роботі на активне навантаження гра­ничним кутом регулювання, при якому Ud = 0, є кут амакс = 150°. Напруга на ти­ристорі визначається різницею потенціалів анода і загальної точки катодів, по­тенціал якої змінюється за кривою напруги wd. Максимальне значення зворотної напруги на тиристорі, так само як у схемі з некерованими вентилями, дорівнює амплітуді напруги и2л.

У трифазній мостовій схемі з тиристорами (рис. 13.17,а), так само як і з некерованими діодами, одночасно працюють два тиристори: один з катодної (непарної) групи, інший - з анодної (парної) групи, і навантаження в будь-який момент часу приєднується до двох фаз вторинної обмотки трансформатора. Відмикаючі імпульси на тиристори непарної групи подаються з випередженням на 180° відносно тиристорів парної групи, приєднаних до тих же виводів вто­ринної обмотки, оскільки перші працюють при позитивних значеннях фазних напруг на анодах, другі - при негативних на катодах.

Робота розглянутої схеми випрямлення ілюструється діаграмами миттєвих значень фазних напруг на тиристорах (рис. 13.17,б); кривими випрямленої напру­ги и (рис. 13.17,в), що отримують шляхом підсумовування миттєвих значень на­пруг працюючих у цей момент тиристорів; кривими анодних струмів (рис. 13.17, г) катодної групи - над віссю часу, анодної групи - під віссю. Кожна з діаграм побу­дована для трьох значень кутів регулювання: a1 = 30°, a2 = 60° і a3= 90°.

При куті регулювання a = 0 відмикаючі імпульси на тиристори необхідно подавати в моменти, які відповідають точкам перетинання кривих фазних на­пруг (точки а, б, в і к, л, м на рис. 13.17,б). У цьому випадку кожний з тиристо­рів проводить струм протягом 1/3 періоду, як у некерованій схемі, а чергування пар працюючих тиристорів відбувається через 60°.

Доки кут регулювання a << 60°, криві випрямленої напруги, а отже, і криві випрямленого струму (рис. 13.17,в і г) при активному навантаженні без­перервні. Для цього режиму (0 << a << 60)° середнє значення випрямленої на­пруги визначається виразом (13.35). Як видно з рис. 13.17,г, через тиристор, що вступає до роботи, струм може проходити тільки за умови, якщо одночасно відкривається або вже відкритий відповідний (суміжний за порядковим номе­ром) тиристор іншого плеча мосту. У противному разі коло струму не буде за­мкнутим і черговий тиристор, що вступає до роботи, не відкриється.

При пуску випрямляча з нуля (Ud = 0) або при переході його в режим пе­реривчастих струмів (a > 60)° можливе порушення вказаної вище умови. Тому на керуючі електроди тиристорів у трифазній мостовій схемі випрямлення не­обхідно подавати імпульси шириною більшою за 60°, або два вузьких імпульси з інтервалом між ними у 60° (рис. 13.17,б, при a3 = 90°).

Схема керування випрямлячем повинна бути побудована так, щоб при по­дачі відмикаючого імпульсу на вступаючий до роботи тиристор одного плеча мос­ту, одночасно здійснювалася б подача імпульсу на керуючий електрод тиристора відстаючої фази протилежного плеча мосту. Наприклад, при роботі випрямляча з a = 90° (рис. 13.17,б) для того щоб відкрити тиристор VS1 у момент t1 необхідно одночасно подати відмикаючий імпульс і на тиристор VS2, після чого обидва вен­тилі будуть проводити струм до моменту t2, коли різниця миттєвих значень напруг и2а і u2b буде дорівнювати нулю і тиристори VS1 і VS2 закриються. Потім у момент t3 повинен вступити до роботи тиристор VS3, що відкриється тільки за умови наяв­ності повторного відмикаючого імпульсу на тиристорі VS3 або за умови, що на ке­руючий електрод цього тиристора в момент t1 буде поданий імпульс тривалістю більше 60°. Тиристори VS2 і VS1 будуть проводити струм до моменту t4, далі всту­пить до роботи наступна пара тиристорів VS3 і VS2 і т. д.

Середні значення випрямленої напруги, коли струм id є переривчастим (a > 60°), визначають виразом

Ud = Ud0 [1 + cos(600 +a)]. (13.33)

З формули (13.33) випливає, що при роботі даної схеми на активне наван­таження граничним кутом регулювання, при якому щ = 0, є кут amax = 120°.

Інвертори застосовують для перетворення енергії постійного струму в енергію змінного струму в лініях електропередач постійного струму, при реку­перативному гальмуванні двигунів постійного струму що живляться від випря­млячів, для перетворення частоти і т. і.

Під інвертуванням розуміють процес перетворення постійного струму на змінний, тобто це процес зворотний випрямленню струму. При інвертуванні потік електричної енергії спрямований від джерела постійного струму до мере­жі змінного струму.

Вихідним елементом інвертора, що працює на мережу змінного струму, є трансформатор, число витків і фаз якого визначають величину і число фаз отримуваної змінної напруги (струму). Щоб отримати змінний струм в обмот­ках трансформатора, підключеного до джерела постійного струму, необхідно забезпечити періодичний перехід струму від однієї фазної обмотки до іншої. Цього досягають шляхом переривання постійного струму і розподілу його по фазам трансформатора за допомогою тиристорів.

Зміна напрямку потоку енергії потребує зміни знака потужності випрямляча Pd = Ud-Id, що можна отримати шляхом зміни напрямку струму Id або напруги Ud. Але струм випрямляча не може змінити свій напрямок відносно затискачів в силу односторонньої провідності тиристорів. Ось чому зміну знаку потужності можна отримати тільки за рахунок зміни знаку середнього значення випрямленої напруги, що досягається у керованому випрямлячі установкою кута керування а > 90°.

Перехід від режиму випрямляча до режиму інвертора розглянемо на при­кладі керованого перетворювача (рис.13.18), складеного за двонапівперіодною схемою, і навантаженням якого є акумуляторна батарея з ЕРС Еа, опір Rd та ка­тодний дросель Ld = да.

Нехай а1 < 90о, перемикач S знаходиться у лівому положенні і середнє значення напруги UdBHn = Ud0 cosa1 > Ea. Перетворювач працює випрямлячем на батарею, ЕРС Еа якої виступає як протидіюча напруга (на рис.13.18,б вона по­казана нижче осі абсцис).

Випрямлення струму відбувається, коли и2 > 0, тиристори відкриті (при куті а1 = 60о) і напруга UdBHH перебільшує Еа. В наступний інтервал часу, коли и2 < 0, струм id = Id продовжує проходити по колу, оскільки його підтримує ЕРС самоіндукції eL, яка виникає в індуктивності Ld (момент %-t2 для VS1 і т. д.).

Акумуляторна батарея буде підзаряжатись випрямленим струмом, серед­нє значення якого

IdBHH = (UdBHH - Ea)/ Rd. (13.34)

Якщо поступово збільшувати кут а > а1, то будуть зменшуватись напру­га Цішп і струм Id. При а2 = 90о середнє значення випрямленої напруги UdB = 0 (рис.13.18,в) і перетворювач споживає від мережі тільки реактивну потужність, оскільки постійна складова випрямленого струму буде дорівнювати нулю.

Для переходу до інверторного режиму потрібно змінити полярність на-

а

Рис.13.18 - Схема і часові діаграми перетворювача випрямляч - інвертор

пруги Еа акумуляторної батареї: перемикач S на рис.13.18,а переключити у пра­ве положення і одночасно збільшити кут керування а до значень більших 90о. У цьому випадку тиристори VS1 і VS2 відкриваються і проводять струм при нега­тивних значення напруг u21 і u22 (рис.13.19,г) під впливом позитивної напруги Ea, яка подається від батареї через навантаження Rd і вторинні обмотки транс­форматора на аноди тиристорів.

При а3 > 90о середня напруга перетворювача стає негативною Цлнв = Udo-cosa3 < 0. Якщо вона буде меншою від ЕРС Еа, то через навантажен­ня буде проходити струм попереднього напрямку, середнє значення якого ви­значається виразом

^Інв = (Ea - иіїнв)/ Rd. (13.35)

Акумуляторна батарея працює генератором на мережу змінного струму, а напруга перетворювача відіграє роль зустрічної ЕРС.

Середнє значення негативної напруги Цлнв буде тим більшим, чим більше величина кута а наближується до 1800. У інверторному режимі кут керування тиристорним перетворювачем називають кутом випередження керування. Цей
кут відлічують від моменту природного закриття тиристора (Ш = і) і познача­ють буквою Р (рис.13.19,г). Сума кутів а і Р дорівнює і, тоді Р= і - а і середня напруга інвертора при куті випередження р.

UdiUUdp) = Ud0c°s(i - Р) = - Ud0c°sp. (13.36)

де Ud0 - напруга інвертора при Р = 0, рівна напрузі випрямляча при а = 0.

Слід зауважити, що, якщо для тиристорного перетворювача в режимі ви­прямляча можлива робота з кутами атіп = 0, то у інверторному режимі кут pmin завжди повинен бути більшим за 0. Це пов’язано з тим, що тиристору після від­ключення необхідно дати деякий час для поновлення запираючих властивостей. Протягом цього відрізку часу 5, який складає не більше 0,01 тривалості періоду 5~(2 ^ 4о), анодна напруга тиристора повинна бути негативною.