Raddrizzatori monofase: schemi e principio di funzionamento

Un raddrizzatore è un dispositivo progettato per convertire una tensione CA in ingresso in una tensione CC. Il modulo principale del raddrizzatore è un set di seghe venose che converte direttamente la tensione CA in CC.

Se è necessario far corrispondere i parametri della rete con i parametri del carico, il gruppo raddrizzatore viene collegato alla rete tramite un trasformatore di adattamento. In base al numero di fasi della rete di alimentazione, i raddrizzatori sono monofase e tre fasi… Vedi maggiori dettagli qui — Classificazione dei raddrizzatori a semiconduttore… In questo articolo considereremo il funzionamento dei raddrizzatori monofase.

Raddrizzatore a semionda monofase

Il circuito raddrizzatore più semplice è un raddrizzatore a semionda monofase (Fig. 1).

Riso. 1. Schema di un raddrizzatore a semionda controllato monofase

Gli schemi di funzionamento del raddrizzatore di carico R sono mostrati nella Figura 2.

Riso. 2. Schemi di funzionamento del raddrizzatore per carico R

Per aprire il tiristore, devono essere soddisfatte due condizioni:

1) il potenziale dell'anodo deve essere superiore al potenziale del catodo;

2) deve essere applicato un impulso di apertura all'elettrodo di controllo.

Per questo circuito, il soddisfacimento simultaneo di queste condizioni è possibile solo durante i semicicli positivi della tensione di alimentazione. Un sistema di controllo della fase dell'impulso (SIFU) dovrebbe formare impulsi di apertura solo in NSoluneriodi positivi della tensione di alimentazione.

Quando si richiede tiristore VS1 dell'impulso di apertura al momento θ = α tiristore VS1 si apre e la tensione di alimentazione U viene applicata al carico1 durante il resto del semiciclo positivo (caduta di tensione diretta attraverso la valvola ΔUv insignificante rispetto alla tensione U1 (ΔUv = 1-2 V) ). Poiché il carico R è attivo, la corrente nel carico ripete la forma della tensione.

Alla fine del semiperiodo positivo, la corrente di carico i e la valvola VS1 diminuiranno fino a zero (θ = nπ) e la tensione U1 cambierà segno. Pertanto, viene applicata una tensione inversa al tiristore VS1, sotto l'azione del quale si chiude e ripristina le sue proprietà di controllo.

Tale commutazione delle valvole sotto l'influenza della tensione della fonte di alimentazione, che periodicamente cambia la sua polarità, è chiamata naturale.

Si può vedere dai diagrammi che una variazione di un filo comporta una variazione di parte del semiperiodo positivo durante il quale la tensione di alimentazione è applicata al carico, e quindi questo porta ad una regolazione della potenza assorbita. L'iniezione α caratterizza il ritardo nel momento di apertura del tiristore rispetto al momento della sua apertura naturale ed è chiamato angolo di apertura (controllo) della valvola.

La fem e la corrente del raddrizzatore sono segmenti successivi di onde semisinusoidali positive, costanti nella direzione ma non costanti nella grandezza, cioè l'EMF rettificato e la corrente hanno un carattere pulsante periodico. E qualsiasi funzione periodica può essere espansa in serie di Fourier:

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

dove E è la componente costante dell'EMF corretto, en(T) — componente variabile uguale alla somma di tutte le componenti armoniche.

Pertanto, possiamo presumere che al carico venga applicata una FEM costante distorta dalla componente variabile en (t). La componente permanente dell'EMF E è la caratteristica principale dell'EMF rettificato.

Viene chiamato il processo di regolazione della tensione di carico modificandola controllo di fase... Questo schema presenta diversi svantaggi:

1) alto contenuto di armoniche superiori nell'EMF corretto;

2) grandi increspature di EMF e corrente;

3) funzionamento intermittente del circuito;

4) utilizzo di bassa tensione di circuito (kche =0.45).

La modalità di funzionamento della corrente di interruzione del raddrizzatore è una tale modalità in cui la corrente nel circuito di carico del raddrizzatore viene interrotta, ad es. diventa zero.

Raddrizzatore monofase a semionda singola quando si opera su un carico induttivo attivo

I diagrammi di temporizzazione del funzionamento del raddrizzatore a semionda per carico RL sono mostrati in Fig. 3.

Riso. 3. Diagrammi di funzionamento del raddrizzatore a semionda per carico RL

Per analizzare i processi che si svolgono nello schema, assegniamo tre intervalli di tempo.

1. α <θ <δ… Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in fig. 4.

Rif. 4. Circuito equivalente per α <θ <δ

Secondo lo schema equivalente:

Durante questo intervallo di tempo eL (EMF di autoinduzione) viene polarizzato di nuovo alla tensione di rete U1 e impedisce un forte aumento della corrente. L'energia della rete viene convertita in calore in R e viene accumulata nel campo elettromagnetico con induttanza L.

2. α <θ <π. Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in Fig. 5.

Fico. 5… Circuito equivalente per α <θ < π

In questo intervallo, l'EMF dell'autoinduzione eL ha cambiato segno (in questo momento θ = δ).

A θ δ dL cambia segno e tende a mantenere la corrente nel circuito. È diretto secondo U1. In questo intervallo, l'energia proveniente dalla rete e accumulata nel campo di induttanza L viene convertita in calore in R.

3. π θ α + λ. Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in Fig. 6.

Riso. 6 Circuito equivalente

Ad un certo punto nel tempo θ = π la tensione di linea U1 cambia la sua polarità, ma il tiristore VS1 rimane nello stato di conduzione perché egL supera U1 e la tensione diretta viene mantenuta ai capi del tiristore. La corrente sotto l'azione di dL fluirà attraverso il carico nella stessa direzione, mentre l'energia immagazzinata nel campo dell'induttanza L non sarà completamente consumata.

In questo intervallo, parte dell'energia accumulata nel campo induttivo viene convertita in calore nella resistenza R, e parte viene trasmessa alla rete. Il processo di trasferimento di energia da un circuito CC a un circuito CA è chiamato inversione... Ciò è evidenziato dai diversi segni di e e i.

La durata del flusso di corrente nel tratto con polarità negativa U1 dipende dal rapporto tra le grandezze L e R (XL=ωL). Maggiore è il rapporto — ωL/R, maggiore è la durata del flusso di corrente λ.

Se è presente un'induttanza nel circuito di carico L, la forma della corrente diventa più uniforme e la corrente scorre anche nelle aree di polarità negativa U1... In questo caso, il tiristore VS1 non si chiude durante la transizione della tensione da U1 a 0 e al momento la corrente scende a zero. Se ωL/ R→oo, allora in α = 0 λ → 2π.

Il principio di funzionamento di un raddrizzatore a ponte monofase in modalità continua durante il funzionamento di carichi attivi e attivi-induttivi

Il circuito di potenza di un raddrizzatore a ponte monofase è mostrato in Fig. 7, e i diagrammi temporali del suo lavoro sul carico attivo sono mostrati in fig. otto.

Il ponte valvolare (Fig. 7) contiene due gruppi di valvole: catodo (valvole dispari) e anodo (valvole pari). Nel circuito a ponte, la corrente è trasportata simultaneamente da due valvole, una dal gruppo catodo e una dal gruppo anodo.

Come si può vedere dalla figura. 7, le porte sono accese in modo che durante i semicicli positivi della tensione U2, la corrente fluisca attraverso le porte VS1 e VS4, e durante i semicicli negativi attraverso le porte VS2 e VS3. Partiamo dal presupposto che le valvole e il trasformatore siano ideali, cioè Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Riso. 7. Schema di un raddrizzatore a ponte monofase

Riso. 8. Schemi di funzionamento di un raddrizzatore controllato da ponte monofase su un carico resistivo

In questo circuito, in ogni istante di tempo, una coppia di tiristori VS1 e VS4 conduce corrente in semiperiodi positivi U2 e VS2 e VS3 in negativo. Quando tutti i tiristori sono chiusi, a ciascuno di essi viene applicata metà della tensione di alimentazione.

A θ =α si aprono VS1 e VS4 e il carico inizia a scorrere attraverso VS1 e VS4 aperti. I precedenti VS2 e VS3 funzionano a piena tensione di rete nella direzione opposta.Quando v = l-, U2 cambia segno e poiché il carico è attivo, la corrente si annulla e viene applicata tensione inversa a VS1 e VS4 che si chiudono.

A θ =π +α i tiristori VS2 e VS3 si aprono e la corrente di carico continua a fluire nella stessa direzione. La corrente in questo circuito a L = 0 ha un carattere intermittente, e solo a α = 0 la corrente sarà marginalmente continua.

La modalità continua limite è una modalità in cui la corrente in alcuni istanti diminuisce a zero, ma non viene interrotta.

Upr.max = Uobr.max = √2U2(con trasformatore),

Upr.max = Uobr.max = √2U1(senza trasformatore).

Funzionamento del circuito per un carico attivo-induttivo

Il carico R-L è tipico di avvolgimenti di apparecchiature elettriche e avvolgimenti di campo di macchine elettriche o quando è installato un filtro induttivo all'uscita del raddrizzatore. L'influenza dell'induttanza influisce sulla forma della curva della corrente di carico nonché sui valori medi ed effettivi della corrente attraverso le valvole e il trasformatore. Maggiore è l'induttanza del circuito di carico, minore è la componente di corrente alternata.

Per semplificare i calcoli, si assume che la corrente di carico sia perfettamente livellata (L→oo). Questo è legale quando ωNSL> 5R, dove ωNS è la frequenza circolare dell'ondulazione di uscita del raddrizzatore. Se questa condizione è soddisfatta, l'errore di calcolo è insignificante e può essere ignorato.

I diagrammi temporali del funzionamento di un raddrizzatore a ponte monofase per un carico induttivo attivo sono mostrati in Fig. nove.

Riso. 9. Schemi di funzionamento di un raddrizzatore a ponte monofase quando si opera su un carico RL

Per esaminare i processi che si svolgono nello schema, separeremo tre aree di lavoro.

1. un. Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in Fig.dieci.

Riso. 10. Circuito equivalente di un raddrizzatore

Nell'intervallo considerato, l'energia della rete viene convertita in calore nella resistenza R e una parte si accumula nel campo elettromagnetico dell'induttanza.

2. α <θ <π. Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in Fig. undici.

Riso. 11. Circuito equivalente del raddrizzatore per α <θ < π

In un momento θ = δ l'EMF di autoinduzione eL = 0 perché la corrente raggiunge il suo valore massimo.

In questo intervallo, l'energia accumulata nell'induttanza e consumata dalla rete viene convertita in calore nella resistenza R.

3. π θ α + λ. Il circuito equivalente corrispondente a questo intervallo è mostrato in Fig. 12.

Riso. 12. Circuito equivalente del raddrizzatore a π θ α + λ

In questo intervallo, parte dell'energia accumulata nel campo induttivo viene convertita in calore nella resistenza R, e parte viene restituita alla rete.

L'azione dell'EMF di autoinduzione nella 3a sezione porta alla comparsa di sezioni con polarità negativa nella curva dell'EMF corretta, e i diversi segni di e e i indicano che in questo intervallo c'è un ritorno di energia elettrica alla rete.

Se all'istante θ = π + α l'energia immagazzinata nell'induttanza L non è completamente consumata, allora la corrente i sarà continua. Quando ad un certo momento θ = π + α vengono serviti impulsi di apertura ai tiristori VS2 e VS3, ai quali viene fornita una tensione diretta dal lato rete, si aprono e attraverso di essi viene applicata una tensione inversa ai VS1 e VS4 operativi dal lato rete, a seguito della quale si chiudono, questo tipo di commutazione è chiamato naturale.