Видове токоизправители 1.1. Еднофазен еднополупериоден токоизправител Това е най-простата токоизправителна схема (фиг.1.1). Практически тя се използва в маломощни усройства, където к.п.д. и използването на анодния трансформатор не е от значение. Разглеждаме тази схема защото с нея се онагледяват лесно редица явления в токоизправителите. През положителния полупериод вследствие на еднопосочната проводимост на вентила, токът Id през товара Zт ще протича само през положителния полупериод на напрежението, а през отрицателния няма да провежда ток (фиг.1.2). Пулсацийте на изправеното напрежение ще са големи. Формата на тока на първичната и вторичната страна имат еднаква форма и тя е несинусоидална, дължаща се на нелинейната V-A характеристика на вентила. Стойността на изправеното напрежение ще е:
(1.1) Ефективната стойност на вторичното напрежение на трансформатора U2 e:
(1.2) Стойността на изправеният ток е: (1.3) Ефективната стойност на вторичния ток на трансформатора I2 e:
(1.4) Изчислителната мощност на намотките на трансформатора e: (1.5) P1 =
U1.I1= 2,66.Pd P2 = 3,49.Pd
Фиг. 1.1. Схема на еднофазен еднополупериоден токоизправител.
Фиг. 1.2. Графики на токовете и напреженията при еднофазен еднополупериоден токоизправител.
1.2. Еднофазен Грец).
двуполупериоден
токоизправител.(Схема
Тази схема се използва при значителни мощности когато нямаме възможност за използване на трифазно захранващо напрежение, а имаме само еднофазно. Схемата представлява мост, в рамената на който са включени четири вентила (фиг.1.3). В един от диагоналите на моста е свързана вторичната намотка на анодния трансформатор, а в другия диагонал – товара Zт. Вентилите са включени така, че през всеки полупериод работят едновременно два от тях – тези, които имат най-положителен аноден потенциал (1 или 2) и тези които има най-отрицателен катоден потенциал (3 или 4). Така във всеки полупериод ще имаме протичане на пулсиращ постоянен ток Id (фиг.1.4). Формата на тока на първичната и вторичната страна имат еднаква форма и тя е несинусоидална дължаща се на нелинейната V-A характеристика на вентилите. Стойността на изправеното напрежение ще е:
(1.6) Ефективната стойност на вторичното напрежение на трансформатора U2 e:
(1.7) Стойността на изправения ток е: (1.8) Ефективната стойност на вторичния ток на трансформатора I2 e:
(1.9) Изчислителната мощност на намотките на трансформатора е: (1.10) P1 =
P2 = 1,23.Pd
Фиг. 1.3. Схема на еднофазен двуполупериоден токоизправител.(Схема Грец).
Фиг. 1.4. Графики на токовете и напреженията при еднофазен двуполупериоден токоизправител. 1.3. Еднофазен двуполупериоден токоизправител със средна точка. Тази схема както и схемата “Грец” се използва при направата на токоизправители със значителна мощност при отсъствие на трифазно захранващо напрежение (фиг.1.5). Тук в дадения случай анодния трансформатор служи не само
да повишава или понижава напрежението на захранващата мрежа, но посредством средния извод на вторичната намотка преобразува енофазното напрежение в двуфазно. Вторичните напрежения са дефазирани помежду си на 180о. Към средната точка е свързан единия край на товара Zт., а към другите два края на трансформатора са свързани анодите на вентилите. Катодите на двата вентила са свързани един с друг и към тях е свързан другия край на товара Zт. Картината на изправеното напрежение е дадена на (фиг.1.6). Съществен недостатък на схемата е голямото обратно напрежение на което са подложени вентилите Uoбр.max=2.U2max. Постоянното напрежение и ефективната стойност на вторичното напрежение на трансформатора U2 се изчисляват по формулата:
(1.11) Стойността на изправения ток е: (1.12) Ефективната стойност на вторичния ток на трансформатора I2 e: (1.13)
Ефективната стойност на първичния ток на трансформатора I1 e:
(1.14) Изчислителната мощност на намотките на трансформатора е: (1.15)
P1 = U1.I1= 1,23.Pd P2 = 2. U2.I2 = 1,75.Pd
Фиг. 1.5. Схема на еднофазен двуполупериоден токоизправителсъс средна точка.
Фиг. 1.6. Графики на токовете и напреженията при еднофазен двуполупериоден токоизправител със средна точка.
1.4. Трифазен еднополупериоден токоизправител със средна точка. Тази схема не е много разпространена в практиката, но в редки случаи се използва за средни мощности (фиг.1.7). Необходимо за действието на трифазната еднополупериодна схема е извеждането на нулева точка от
вторичната намотка на анодния трансформатор. Първичната намотка на трансформатора може да бъде свързана в звезда и в триъгълник, но вторичната задължително трябва да е свързана в звезда, заради изискването за наличие на нулева точка. Принципа на действие на трифазния еднополупериоден изправител е аналогично на принципа на действие на еднофазния двуполупериоден токоизправител със средна точка. Разликата тук е само, че вторичните напрежения са три, дефазирани на 120о по между си (фиг.1.8). Стойността на изправеното напрежение ще е:
(1.16) Ефективната стойност на вторичното напрежение на трансформатора U2 e:
(1.17) Стойността на изправения ток е: (1.18) Ефективната стойност на вторичния ток на трансформатора I2 e:
(1.19) Ефективната стойност на първичния ток на трансформатора I1 e: (1.20) Изчислителната мощност на намотките на трансформатора е: (1.21)
P1 = 1,27.Pd P2 = 1,47.Pd
Фиг. 1.7. Схема на трифазен еднополупериоден токоизправител със средна точка.
Фиг. 1.8. Графики на токовете и напреженията при трифазен еднополупериоден токоизправител със средна точка.
1.5. Трифазен двуполупериоден токоизправител. (Схема Ларионов). Това е най-често срещаната схема за направа на мощни токоизправители за високо напрежение (фиг.1.9). Нейните предимстава са значителни – висок
к.п.д., ниски пулсаций на изправеното напрежение и др. Тук анодния трансформатор е използван максимално и може да бъде свързан звезда – звезда, триъгълник – триъгълник, звезда – триъгълник и триъгълник – звезда. В електроснабдяването по-често тази схема се нарича шестфазен токоизправител. Принципът на действие е следния: през време от 0-t1 найположително напрежение има фаза “с”, а най-отрицателно напрежение има фаза “b”. При това от катодната група пропуска венила “D5”, а от анодната вентила “D4”. В момента t1-t2 са отпушени вентилите “D1” и “D4”. В момента t2-t3 са отпушени вентилите “D1” и “D6” и т.н. – (фиг.1.10). Ефективната стойност на вторичното напрежение на трансформатора U2 e: (1.22) Ефективната стойност на вторичния ток на трансформатора I2 e: (1.23) Максимално обратно напрежение върху вентилите: (1.24) Изчислителната мощност на намотките на трансформатора е: (1.25)
P1 = P2 = 1,05.Pd
Фиг. 1.9. Схема на трифазен двуполупериоден токоизправител.
Фиг. 1.10. Графики на токовете и напреженията при трифазен двуполупериоден токоизправител.
1.6. Дванайсетфазен токоизправител.
Този тип токоизправители са много често използвани в промишлените предприятия защото имат някои значителни предимства пред останалите видове токоизправители както по отношение на изправеното напрежение, така и по отношение на генерираните висши хармоници на тока в захранващата верига. В захранващата верига дванайсетфазните токоизправители генерират 11,13,23,25…хармоници, което подсказва, че са игнорирани висшите хармоници с малък номер, които имат значителна стойност спрямо основния хармоник. При дванайсетфазния токоизправител иамаме два трифазни мостови токоизправителя. На единия токоизправител захранващия трансформатор е свързан звезда – звезда, а на другия звезда – триъгълник. Така се получават вторични напрежения с шест различни фази. Съществуват две разновидности на схемата - с паралелно свързани мостови схеми (фиг.1.11) и с последователно свързани мостови схеми (фиг.1.12).
Фиг. 1.11. Схема на дванайсетфазен токоизправител с паралелно свързани мостови схеми.
Фиг. 1.12. Схема на дванайсетфазен токоизправител със серийно свързани мостови схеми.
1.7. Управляем шестфазен токоизправител. (Схема Ларионов).
За да се постигне регулиране на изправеното напрежение примерно на един трифазен мостов токоизправител е нужно на мястото на шесте диода да поставим тиристори (фиг.1.13) - (симетрична схема) или поне да заменим с
тиристори диодите в анодната или катодната група (фиг.1.14). (несиметрична схема). Ако се свързват в паралел две несиметрични схеми се препоръчва в единия мост тиристорите да са в анадната група, а в другия в катодната група. За да се регулира изправеното напрежение е нужно тиристорите да се отпушват синхронизирано в определен период от време или на определен ъгъл от синусоидата на напрежението. Най-често се прилага фазово управление и стойността на изправеното напрежение зависи от ъгъла на управление α , който ние можем да управляваме и ъгъла на комутация γ , който зависи от параметрите на захранващата верига и параметрите на преобразувателния трансформатор. За нормалната работа на схемата е нужно да се подават управляващи импулси с широчина по-голяма от 60о или двойка импулси. В противен случай при работа на изправителя с пауза няма да се отпушат повторно съответните тиристори и схемата ще се запуши. При активен характер на товара имаме дава режима на работа: • •
Режима на непрекъснат ток – тогава 0 < α ≤ 60о Udα =Ud.cosα Режима на прекъснат ток – тогава 60о < α < 120о Udα =Ud.[1+cos(60o + α )]
При активно-индуктивен товар когато изглаждащия дросел е с голяма индуктивност се работи само в режим на непрекъснат ток. Тук висшите хармоници които генерира преобразувателя са различни за различните режими на работа. При работа с малък ъгъл на управление хармониците на тока имат каноничен характер ν = 5,7,11,13,….. , но с повишаването на ъгъла на управление се появяват неканонични хармоници, както нечетни така и четни. Това най-често се дължи на несъвършенство в системите за управление. Ако искаме да постигнем по-голям ъгъл на управление до 180о може да се използва несиметричната схема. При този случай недостатък е, че се появяват неканонични хармоници в захранващата верига, а пулсацийте на изправеното напрежение ще са по-големи и кратността им ще е равна на 3 и в изправеното напрежение ще се появят съответно - 3,6,9,12,15,18… хармоници, а при симетричната схема те са кратни на 6 съответно се появяват - 6,12,18… хармоници. Този недостатък може да се избегне, като в постояннотоковата верига се постави изглаждащ дросел с по-голяма индуктивност. Несиметричната схема има някои предимства пред симетричната, както постигане на по-ниско изправено напрежение така и по-добри енергетични показатели – по-проста и икономична схема за управление и по-висок фактор на мощността.
Фиг. 1.13. Схема на шестфазен симетрично-управляем токоизправител.