Bộ chỉnh lưu một pha - sơ đồ và nguyên lý hoạt động

Bộ chỉnh lưu là một thiết bị được thiết kế để chuyển đổi điện áp xoay chiều đầu vào thành điện áp một chiều. Mô-đun chính của bộ chỉnh lưu là một bộ cưa mạch chuyển đổi trực tiếp điện áp AC sang DC.

Nếu cần phải khớp các tham số của mạng với các tham số của tải, bộ chỉnh lưu được kết nối với mạng thông qua một máy biến áp phù hợp. Theo số pha của mạng cung cấp, bộ chỉnh lưu là một pha và ba giai đoạn… Xem thêm chi tiết tại đây — Phân loại chỉnh lưu bán dẫn… Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét hoạt động của bộ chỉnh lưu một pha.

Chỉnh lưu nửa sóng một pha

Mạch chỉnh lưu đơn giản nhất là mạch chỉnh lưu nửa sóng một pha (Hình 1).

Cơm. 1. Sơ đồ chỉnh lưu nửa kỳ có điều khiển một pha

Sơ đồ hoạt động của bộ chỉnh lưu tải R được thể hiện trong Hình 2.

Cơm. 2. Sơ đồ hoạt động của bộ chỉnh lưu cho tải R

Để mở thyristor, hai điều kiện phải được đáp ứng:

1) điện thế của cực dương phải cao hơn điện thế của cực âm;

2) một xung mở phải được áp dụng cho điện cực điều khiển.

Đối với mạch này, việc đáp ứng đồng thời các điều kiện này chỉ có thể thực hiện được trong nửa chu kỳ dương của điện áp nguồn. Một hệ thống điều khiển pha xung (SIFU) chỉ nên hình thành các xung mở trong NSoluneriod dương của điện áp nguồn.

Khi đăng ký thyristor VS1 của xung mở tại thời điểm θ = α thyristor VS1 mở và điện áp nguồn U được cấp cho tải1 trong thời gian còn lại của nửa chu kỳ dương (điện áp chuyển tiếp qua van ΔUv không đáng kể so với điện áp U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Kể từ khi tải R — hoạt động, thì dòng điện trong tải lặp lại hình dạng của điện áp.

Vào cuối nửa chu kỳ dương, dòng tải i và van VS1 sẽ giảm về 0 (θ = nπ), và điện áp U1 sẽ đổi dấu. Do đó, một điện áp ngược được đặt vào thyristor VS1, dưới tác động của nó đóng và khôi phục các thuộc tính điều khiển của nó.

Việc chuyển đổi các van như vậy dưới tác động của điện áp của nguồn điện, làm thay đổi cực tính của nó theo định kỳ, được gọi là tự nhiên.

Từ các sơ đồ, có thể thấy rằng sự thay đổi trong một dây dẫn đến sự thay đổi một phần của nửa chu kỳ dương trong đó điện áp cung cấp được đặt vào tải và do đó điều này dẫn đến việc điều chỉnh mức tiêu thụ điện năng. Tiêm α đặc trưng cho độ trễ của thời điểm mở thyristor so với thời điểm mở tự nhiên của nó và được gọi là góc mở (điều khiển) của van.

Emf và dòng điện chỉnh lưu là các phân đoạn liên tiếp của sóng nửa hình sin dương, không đổi về hướng nhưng không đổi về độ lớn, tức là EMF đã chỉnh lưu và dòng điện có đặc tính dao động tuần hoàn. Và bất kỳ hàm tuần hoàn nào cũng có thể được mở rộng trong chuỗi Fourier:

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

trong đó E là thành phần không đổi của EMF đã hiệu chỉnh, en(T) — thành phần biến đổi bằng tổng của tất cả các thành phần sóng hài.

Do đó, chúng ta có thể giả định rằng một EMF không đổi bị biến dạng bởi thành phần biến en(t) được áp dụng cho tải. Thành phần cố định của EMF E là đặc điểm chính của EMF được chỉnh lưu.

Quá trình điều chỉnh điện áp tải bằng cách thay đổi nó được gọi là điều khiển pha... Sơ đồ này có một số nhược điểm:

1) hàm lượng cao của sóng hài cao hơn trong EMF đã hiệu chỉnh;

2) gợn sóng điện từ và dòng điện lớn;

3) hoạt động mạch không liên tục;

4) sử dụng điện áp mạch thấp (kche =0,45).

Chế độ ngắt dòng điện của bộ chỉnh lưu là chế độ mà dòng điện trong mạch tải của bộ chỉnh lưu bị ngắt, tức là trở thành số không.

Bộ chỉnh lưu nửa sóng một pha khi hoạt động trên tải cảm ứng hoạt động

Sơ đồ thời gian hoạt động của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ đối với tải RL được thể hiện trong Hình. 3.

Cơm. 3. Sơ đồ hoạt động của bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ cho phụ tải RL

Để phân tích các quá trình diễn ra trong lược đồ, chúng ta hãy phân bổ ba khoảng thời gian.

1. α < θ < δ… Mạch tương đương tương ứng với khoảng này được thể hiện trong hình. 4.

Nốt Rê. 4. Mạch tương đương cho α < θ < δ

Theo sơ đồ tương đương:

Trong khoảng thời gian này, eL (EMF tự cảm ứng) được phân cực ngược về điện áp lưới U1 và ngăn dòng điện tăng mạnh. Năng lượng từ mạng được chuyển thành nhiệt ở R và được tích lũy trong trường điện từ có độ tự cảm L.

2. α < θ < π. Mạch tương đương tương ứng với khoảng thời gian này được hiển thị trong Hình. 5.

Quả sung. 5… Mạch tương đương cho α < θ < π

Tại khoảng thời gian này, EMF của eL tự cảm ứng đã đổi dấu (lúc này θ = δ).

Tại θ δ dL đổi dấu và có xu hướng duy trì cường độ dòng điện trong mạch. Nó được định hướng theo U1. Trong khoảng thời gian này, năng lượng từ mạng và tích lũy trong trường tự cảm L được chuyển thành nhiệt trong R.

3. π θ α + λ. Mạch tương đương tương ứng với khoảng thời gian này được hiển thị trong Hình. 6.

Cơm. 6 Mạch tương đương

Tại một số thời điểm θ = π, điện áp đường dây U1 thay đổi cực tính của nó, nhưng thyristor VS1 vẫn ở trạng thái dẫn điện vì egL vượt quá U1 và điện áp thuận được duy trì trên thyristor. Dòng điện dưới tác dụng của dL sẽ chạy qua tải theo cùng một hướng, trong khi năng lượng được lưu trữ trong trường điện cảm L sẽ không bị tiêu hao hoàn toàn.

Trong khoảng thời gian này, một phần năng lượng tích lũy trong trường cảm ứng được chuyển thành nhiệt trong điện trở R và một phần được truyền vào mạng. Quá trình truyền năng lượng từ mạch DC sang mạch AC được gọi là sự đảo ngược… Điều này được chứng minh bằng các dấu khác nhau của e và i.

Khoảng thời gian dòng điện chạy trong đoạn có cực âm U1 phụ thuộc vào tỉ số giữa hai đại lượng L và R (XL=ωL). Tỷ lệ — ωL/ R càng lớn, thời lượng của dòng điện λ càng lớn.

Nếu có độ tự cảm trong mạch tải L, thì dạng dòng điện trở nên mượt mà hơn và dòng điện chạy ngay cả ở những vùng có cực âm U1... Trong trường hợp này, thyristor VS1 không đóng trong quá trình chuyển đổi điện áp từ U1 sang 0 và tại thời điểm hiện tại giảm xuống bằng không. Nếu ωL/ R→oo, thì trong α = 0 λ → 2π.

Nguyên lý hoạt động của bộ chỉnh lưu cầu một pha ở chế độ liên tục khi tải hoạt động và cảm ứng hoạt động

Mạch nguồn của bộ chỉnh lưu cầu một pha được thể hiện trong hình. 7 và sơ đồ thời gian hoạt động của nó đối với tải hoạt động được hiển thị trong hình. tám.

Cầu van (Hình 7) chứa hai nhóm van — cực âm (van lẻ) và cực dương (van chẵn). Trong mạch cầu, dòng điện được truyền đồng thời bởi hai van — một từ nhóm cực âm và một từ nhóm cực dương.

Như có thể thấy từ hình. 7, các cổng được bật sao cho trong nửa chu kỳ dương của điện áp U2, dòng điện chạy qua các cổng VS1 và VS4, và trong nửa chu kỳ âm chạy qua các cổng VS2 và VS3. Chúng tôi đưa ra giả định rằng các van và máy biến áp là lý tưởng, tức là Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Cơm. 7. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha

Cơm. 8. Sơ đồ vận hành bộ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha trên tải điện trở

Trong mạch này, tại bất kỳ thời điểm nào, một cặp thyristor VS1 và VS4 dẫn dòng điện trong nửa chu kỳ dương U2 và VS2 và VS3 ở âm. Khi tất cả các thyristor được đóng lại, một nửa điện áp cung cấp được đặt cho mỗi thyristor.

Tại θ =α mở VS1 và VS4 và tải bắt đầu truyền qua VS1 và VS4 mở. VS2 và VS3 trước đó hoạt động ở điện áp nguồn đầy đủ theo hướng ngược lại.Khi v = l-, U2 đổi dấu và do tải đang hoạt động, dòng điện trở thành 0 và điện áp ngược được cấp cho VS1 và VS4 và chúng đóng lại.

Tại θ =π +α thyristor VS2 và VS3 mở và dòng tải tiếp tục chạy theo cùng một hướng. Dòng điện trong mạch này ở L = 0 có đặc tính không liên tục và chỉ ở α = 0 thì dòng điện mới có tính chất liên tục.

Chế độ liên tục giới hạn là chế độ trong đó dòng điện tại một số thời điểm giảm xuống 0, nhưng không bị gián đoạn.

Upr.max = Uobr.max = √2U2(có máy biến áp),

Upr.max = Uobr.max = √2U1(không biến áp).

Hoạt động của mạch cho tải cảm ứng hoạt động

Tải R-L đặc trưng cho cuộn dây của thiết bị điện và cuộn dây kích từ của máy điện hoặc khi bộ lọc cảm ứng được lắp đặt ở đầu ra của bộ chỉnh lưu. Ảnh hưởng của điện cảm ảnh hưởng đến hình dạng của đường cong dòng tải cũng như giá trị trung bình và hiệu dụng của dòng điện qua các van và máy biến áp. Độ tự cảm của mạch tải càng cao thì thành phần dòng điện xoay chiều càng thấp.

Để đơn giản hóa việc tính toán, giả sử rằng dòng tải được làm trơn hoàn toàn (L→oo). Điều này hợp lệ khi ωNSL > 5R, trong đó ωNS — tần số tròn của gợn đầu ra bộ chỉnh lưu. Nếu điều kiện này được đáp ứng, lỗi tính toán là không đáng kể và có thể bỏ qua.

Sơ đồ thời gian hoạt động của bộ chỉnh lưu cầu một pha cho tải cảm ứng hoạt động được hiển thị trong Hình. chín.

Cơm. 9. Sơ đồ vận hành bộ chỉnh lưu cầu một pha khi vận hành ở tải RL

Để kiểm tra các quy trình diễn ra trong sơ đồ, chúng tôi sẽ tách ba lĩnh vực công việc.

1. một. Mạch tương đương tương ứng với khoảng thời gian này được hiển thị trong Hình.mười.

Cơm. 10. Mạch tương đương của bộ chỉnh lưu

Trong khoảng thời gian được xem xét, năng lượng từ mạng được chuyển thành nhiệt trong điện trở R và một phần tích lũy trong trường điện từ của cuộn cảm.

2. α < θ < π. Mạch tương đương tương ứng với khoảng thời gian này được hiển thị trong Hình. mười một.

Cơm. 11. Mạch chỉnh lưu tương đương cho α < θ < π

Tại thời điểm θ = δ suất điện động tự cảm eL = 0 do dòng điện đạt giá trị cực đại.

Trong khoảng thời gian này, năng lượng tích lũy trong cuộn cảm và tiêu thụ bởi mạng được chuyển thành nhiệt trong điện trở R.

3. π θ α + λ. Mạch tương đương tương ứng với khoảng thời gian này được hiển thị trong Hình. 12.

Cơm. 12. Mạch chỉnh lưu tương đương tại π θ α + λ

Trong khoảng thời gian này, một phần năng lượng tích lũy trong trường cảm ứng được chuyển thành nhiệt trong điện trở R và một phần được đưa trở lại mạng.

Hoạt động của EMF tự cảm ứng trong phần thứ 3 dẫn đến sự xuất hiện của các phần có cực âm trong đường cong của EMF đã hiệu chỉnh và các dấu hiệu khác nhau của e và i cho thấy rằng trong khoảng này có sự quay trở lại của năng lượng điện vào mạng.

Nếu tại thời điểm θ = π + α năng lượng tích trữ trong cuộn cảm L chưa tiêu hao hết thì dòng điện i sẽ liên tục. Khi tại một thời điểm nhất định θ = π + α xung mở được cung cấp cho thyristor VS2 và VS3, trong đó điện áp thuận được cung cấp từ phía mạng, chúng sẽ mở và thông qua chúng, điện áp ngược được đặt vào VS1 và VS4 đang hoạt động từ phía mạng, do chúng đóng lại, kiểu chuyển mạch này được gọi là tự nhiên.