Полупроводниковые выпрямители. Основные теоретические положения

Лекция 9

Полупроводниковые выпрямители

Более одной трети всей вырабатываемой  электроэнергии расходуется потребителями постоянного тока по следующим причинам:

- многие энергоемкие производства по технологическим нормам требуют использования постоянного тока, например, плавильные печи;

- в тяговом и промышленном электроприводе предпочтительно использование электродвигателей постоянного тока вследствие высокого вращающего момента на валу при низких оборотах.

В энергетике находят применение:

- линии электропередач постоянного тока, обладающие низкими потерями электроэнергии;

- вставки постоянного тока для преобразования из переменного напряжения в постоянное, а затем опять в переменное напряжение, которые позволяют оперативно регулировать перетоки активной мощности,  разделять энергосистемы с разной частотой напряжений, вырабатывать управляющие воздействия для обеспечения устойчивости энергосистем.

Например, в 2008 году в Китае проводился монтаж вставки постоянного тока мощностью 760 МВт на полупроводниковых приборах, для получения электроэнергии с Бурейской ГЭС (Россия).

Главным элементом в перечисленных технических средствах является выпрямитель.

Основные теоретические положения

Схемы выпрямления в своем составе обычно имеют:

- источник переменной ЭДС (генератор переменного тока, трансформатор);

- вентильную группу, преобразующую переменный ток в выпрямленный;

- сглаживающий фильтр, необходимый для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения (используется при необходимости).

Схемы выпрямления различают:

- по числу фаз первичной обмотки трансформатора (однофазные, трехфазные, шестифазные и т.д);

- по количеству используемых полупериодов переменного напряжения (однополупериодные и двухполупериодные);

- однотактные (ток во вторичной обмотке трансформатора протекает в одном направлении), двухтактные (ток во вторичной обмотке течет в обоих направлениях).

Параметры выпрямителей, служащих для передачи электроэнергии из питающей сети в нагрузку:

- среднее значение выпрямленного напряжения (Ud);

- среднее значение выпрямленного тока (Id);

- мощность нагрузочного устройства (P_Н);

- амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (q);

- типовая мощность трансформатора (P_T);

- коэффициент полезного действия (кпд);

- предельные эксплуатационные характеристики диодов (тиристоров) в исследуемой схеме (U_ОБР, I_ПР, P_РАС);

- коэффициент сглаживания фильтров, подключенных к выпрямителям;

- угол управления управляемого выпрямителя (УВ) α;

- характеристика управления УВ;

- формы выпрямленных напряжений.

Параметры инверторов, служащих для передачи электроэнергии из нагрузки в питающую сеть:

- угол управления (α);

- формы  напряжений;

- передаваемая мощность переменного тока (P).

Однофазные выпрямители

Однофазные выпрямители применяются в электроэнергетике для испытания изоляции электрооборудования, в блоках питания и других устройствах.

1 Однополупериодный однотактный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель (рис. 1, а) состоит из трансформатора T, к вторичной обмотке которого подключен диод VD,нагрузочный резистор R_Н, сглаживающий фильтр (C). В первый полупериод (рис. 1, б) диод открыт и на R_Н, при отсутствии C, падает напряжение  U_R .

Рис. 1 Однополупериодный выпрямитель: а – схема; б – временные диаграммы напряжений

В интервале времени T/2 – T диод закрыт и к нему прикладывается максимальное обратное напряжение U_ОБР, равное U_2M (амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора):

 

где  U₂ - действующее значение напряжения.

Конденсатор C при его подключении заряжается от источника ЭДС (трансформатора) в интервале времени t₁ – t₂ и разряжается через  R_Н на интервале t₂ – t₃. К диоду в этом случае прикладывается максимальное обратное напряжение 2U_2m, равное сумме напряжения заряженного конденсатора и напряжения вторичной обмотки трансформатора:

 

 Постоянная составляющая напряжения (средневыпрямленное) находится как среднее значение напряжения за период:         

 

    (1)

следовательно:

(2)

Таким образом, действующее напряжение превышает средневыпрямленное напряжение на нагрузке в 2,22 раза.

Выпрямленный ток является пульсирующим и его среднее значение в нагрузке:

 

 (3)

 

(4)

Из уравнений (3, 4) следует, что амплитудное значение тока во вторичной обмотке:

 

(5)

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора с учетом значения I_2M  из уравнения (5):

 

(6)

Поскольку постоянная составляющая тока вторичной обмотки не передается в первичную обмотку трансформатора, то действующее значение первичного тока равно:

 

(7)

где: n – коэффициент трансформации трансформатора.

После подстановки выражения (6) в уравнение (7):

 

(8)

Мощность вторичной обмотки трансформатора должна быть:

 

где мощность нагрузки:

Мощность первичной обмотки трансформатора должна быть:

 

Однако из-за наличия во вторичной обмотке постоянного тока I_d происходит намагничивание сердечника, и возрастают потери в трансформаторе. Поэтому мощность первичной обмотки выбирается из следующего выражения:

 

В связи с неравенством мощностей обмоток, параметры трансформатора (вес, сечение сердечника и т.д.) определяют по типовой мощности: