Penyearah fase tunggal - skema dan prinsip operasi

Penyearah adalah perangkat yang dirancang untuk mengubah tegangan input AC menjadi tegangan DC. Modul utama penyearah adalah satu set gergaji vena yang secara langsung mengubah tegangan AC ke DC.

Jika perlu mencocokkan parameter jaringan dengan parameter beban, set penyearah dihubungkan ke jaringan melalui trafo yang cocok. Menurut jumlah fase jaringan suplai, penyearah adalah fase tunggal dan tiga fase… Lihat detail lebih lanjut di sini — Klasifikasi penyearah semikonduktor… Pada artikel ini kami akan mempertimbangkan pengoperasian penyearah satu fase.

Penyearah setengah gelombang fase tunggal

Rangkaian penyearah paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang fase tunggal (Gbr. 1).

Beras. 1. Skema penyearah setengah gelombang terkontrol fase tunggal

Skema operasi penyearah beban-R ditunjukkan pada Gambar 2.

Beras. 2. Skema operasi penyearah untuk beban-R

Untuk membuka thyristor, dua syarat harus dipenuhi:

1) potensial anoda harus lebih tinggi dari potensial katoda;

2) pulsa pembuka harus diterapkan ke elektroda kontrol.

Untuk sirkuit ini, pemenuhan kondisi ini secara simultan hanya dimungkinkan selama setengah siklus positif dari tegangan suplai. Sistem kontrol fase pulsa (SIFU) harus membentuk pulsa pembuka hanya dalam NSoluneriods positif dari tegangan suplai.

Saat melamar thyristor VS1 dari pulsa pembuka pada saat θ = α thyristor VS1 terbuka dan tegangan suplai U diterapkan ke beban1 selama sisa setengah siklus positif (penurunan tegangan maju melintasi katup ΔUv tidak signifikan dibandingkan dengan tegangan U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Sejak beban R — aktif, arus dalam beban mengulangi bentuk tegangan.

Pada akhir setengah siklus positif, arus beban i dan katup VS1 akan turun menjadi nol (θ = nπ), dan tegangan U1 akan berubah tandanya. Oleh karena itu, tegangan balik diterapkan ke thyristor VS1, di bawah tindakan yang menutup dan memulihkan properti kontrolnya.

Pergantian katup seperti itu di bawah pengaruh tegangan sumber daya, yang secara berkala mengubah polaritasnya, disebut alami.

Dapat dilihat dari diagram bahwa perubahan pada satu kabel menyebabkan perubahan pada bagian dari setengah siklus positif di mana tegangan suplai diterapkan ke beban, dan oleh karena itu hal ini mengarah pada pengaturan konsumsi daya. Injeksi α mencirikan penundaan momen pembukaan thyristor dibandingkan dengan momen pembukaan alaminya dan disebut sudut bukaan (kontrol) katup.

Arus emf dan penyearah adalah segmen berturut-turut dari gelombang setengah sinus positif, arahnya konstan tetapi besarnya tidak konstan, yaitu EMF dan arus yang diperbaiki memiliki karakter denyut berkala. Dan setiap fungsi periodik dapat diperluas dalam deret Fourier:

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

di mana E adalah komponen konstan dari EMF terkoreksi, en(T) — komponen variabel sama dengan jumlah semua komponen harmonik.

Dengan demikian, kita dapat mengasumsikan bahwa EMF konstan yang terdistorsi oleh komponen variabel en (t) diterapkan pada beban. Komponen permanen EMF E adalah karakteristik utama dari EMF yang diperbaiki.

Proses mengatur tegangan beban dengan mengubahnya disebut kontrol fasa... Skema ini memiliki beberapa kelemahan:

1) konten harmonik yang lebih tinggi dalam EMF yang dikoreksi;

2) riak besar EMF dan arus;

3) operasi sirkuit intermiten;

4) penggunaan tegangan sirkuit rendah (kche = 0,45).

Mode operasi penyearah arus interupsi adalah mode di mana arus dalam rangkaian beban penyearah terputus, mis. menjadi nol.

Penyearah gelombang setengah fase tunggal saat beroperasi pada beban aktif-induktif

Diagram waktu operasi penyearah setengah gelombang untuk beban RL ditunjukkan pada Gambar. 3.

Beras. 3. Diagram operasi penyearah setengah gelombang untuk beban RL

Untuk menganalisis proses yang terjadi dalam skema, mari kita alokasikan tiga interval waktu.

1. α <θ <δ… Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada gambar. 4.

Ulang. 4. Rangkaian ekuivalen untuk α <θ <δ

Menurut skema yang setara:

Selama interval waktu ini eL (self-induction EMF) dibiaskan kembali ke tegangan jaringan U1 dan mencegah peningkatan arus yang tajam. Energi dari jaringan diubah menjadi panas pada R dan terakumulasi dalam medan elektromagnetik dengan induktansi L.

2. α <θ < π. Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada Gambar. 5.

Ara. 5… Rangkaian ekivalen untuk α <θ < π

Pada interval ini, EMF eL induksi sendiri mengubah tandanya (saat ini θ = δ).

Pada θ δ dL mengubah tandanya dan cenderung mempertahankan arus dalam rangkaian. Itu diarahkan menurut U1. Dalam interval ini, energi dari jaringan dan terakumulasi dalam bidang induktansi L diubah menjadi panas di R.

3. π θ α + λ. Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada Gambar. 6.

Beras. 6 Rangkaian ekuivalen

Pada beberapa titik waktu θ = π tegangan saluran U1 mengubah polaritasnya, tetapi thyristor VS1 tetap dalam keadaan konduksi karena egL melebihi U1 dan tegangan maju dipertahankan melintasi thyristor. Arus di bawah aksi dL akan mengalir melalui beban dalam arah yang sama, sedangkan energi yang tersimpan di bidang induktansi L tidak akan dikonsumsi sepenuhnya.

Dalam interval ini, sebagian energi yang terakumulasi dalam medan induktif diubah menjadi panas dalam resistansi R, dan sebagian ditransmisikan ke jaringan. Proses pemindahan energi dari rangkaian DC ke rangkaian AC disebut inversi… Hal ini dibuktikan dengan perbedaan tanda e dan i.

Durasi aliran arus di bagian dengan polaritas negatif U1 bergantung pada rasio antara besaran L dan R (XL=ωL). Semakin besar rasio — ωL/ R, semakin besar durasi aliran arus λ.

Jika terdapat induktansi pada rangkaian beban L, maka bentuk arus menjadi lebih halus dan arus mengalir bahkan di daerah polaritas negatif U1... Dalam hal ini, thyristor VS1 tidak menutup selama transisi tegangan U1 hingga 0 dan saat ini arus turun menjadi nol. Jika ωL/ R→oo, maka dalam α = 0 λ → 2π.

Prinsip pengoperasian penyearah jembatan fase tunggal dalam mode kontinu saat mengoperasikan beban aktif dan aktif-induktif

Rangkaian daya penyearah jembatan fase tunggal ditunjukkan pada Gambar. 7, dan diagram waktu kerjanya pada beban aktif ditunjukkan pada gambar. delapan.

Jembatan katup (Gbr. 7) berisi dua kelompok katup - katoda (katup ganjil) dan anoda (katup genap). Di sirkuit jembatan, arus dibawa secara bersamaan oleh dua katup - satu dari grup katoda dan satu lagi dari grup anoda.

Seperti dapat dilihat dari gambar. 7, gerbang dihidupkan sehingga selama setengah siklus positif dari tegangan U2, arus mengalir melalui gerbang VS1 dan VS4, dan selama setengah siklus negatif melalui gerbang VS2 dan VS3. Kami membuat asumsi bahwa katup dan trafo ideal, mis. Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.

Beras. 7. Skema penyearah jembatan fase tunggal

Beras. 8. Skema operasi penyearah yang dikontrol jembatan fase tunggal pada beban resistif

Di sirkuit ini, setiap saat, sepasang thyristor VS1 dan VS4 mengalirkan arus dalam setengah siklus positif U2 dan VS2 dan VS3 dalam negatif. Ketika semua thyristor ditutup, setengah dari tegangan suplai diterapkan ke masing-masing thyristor.

Pada θ =α buka VS1 dan VS4 dan beban mulai mengalir melalui VS1 dan VS4 terbuka. VS2 dan VS3 sebelumnya beroperasi pada tegangan listrik penuh dengan arah sebaliknya.Ketika v = l-, U2 berubah tanda dan karena beban aktif, arus menjadi nol dan tegangan balik diterapkan ke VS1 dan VS4 dan keduanya menutup.

Pada θ =π +α thyristor VS2 dan VS3 terbuka dan arus beban terus mengalir dengan arah yang sama. Arus di sirkuit ini pada L = 0 memiliki karakter intermiten, dan hanya pada α = 0 arus akan terus menerus secara marginal.

Batasi mode kontinu adalah mode di mana arus pada beberapa saat berkurang menjadi nol, tetapi tidak terputus.

Upr.max = Uobr.max = √2U2 (dengan trafo),

Upr.max = Uobr.max = √2U1(tanpa trafo).

Operasi sirkuit untuk beban aktif-induktif

Beban R-L tipikal belitan peralatan listrik dan belitan medan mesin listrik atau ketika filter induktif dipasang pada keluaran penyearah. Pengaruh induktansi mempengaruhi bentuk kurva arus beban serta rata-rata dan nilai efektif arus melalui katup dan trafo. Semakin tinggi induktansi rangkaian beban, semakin rendah komponen arus bolak-balik.

Untuk menyederhanakan perhitungan, diasumsikan bahwa arus beban dihaluskan dengan sempurna (L→oo). Ini sah ketika ωNSL> 5R, di mana ωNS — frekuensi melingkar dari riak keluaran penyearah. Jika kondisi ini terpenuhi, kesalahan perhitungan tidak signifikan dan dapat diabaikan.

Diagram pengaturan waktu pengoperasian penyearah jembatan fase tunggal untuk beban aktif-induktif ditunjukkan pada Gambar. sembilan.

Beras. 9. Skema pengoperasian penyearah jembatan fase tunggal saat beroperasi pada beban RL

Untuk memeriksa proses yang terjadi dalam skema, kami akan memisahkan tiga area kerja.

1.a. Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada Gambar.sepuluh.

Beras. 10. Rangkaian ekivalen penyearah

Dalam interval yang dipertimbangkan, energi dari jaringan diubah menjadi panas dalam resistansi R dan sebagian terakumulasi dalam medan elektromagnetik induktansi.

2. α <θ < π. Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada Gambar. sebelas.

Beras. 11. Rangkaian ekivalen penyearah untuk α <θ < π

Pada saat θ = δ EMF induksi sendiri eL = 0 karena arus mencapai nilai maksimumnya.

Dalam interval ini, energi yang terakumulasi dalam induktansi dan dikonsumsi oleh jaringan diubah menjadi panas dalam resistansi R.

3. π θ α + λ. Sirkuit ekuivalen yang sesuai dengan interval ini ditunjukkan pada Gambar. 12.

Beras. 12. Rangkaian ekivalen penyearah pada π θ α + λ

Dalam interval ini, sebagian energi yang terakumulasi dalam medan induktif diubah menjadi panas dalam resistansi R, dan sebagian dikembalikan ke jaringan.

Tindakan EMF induksi diri pada bagian ke-3 mengarah pada munculnya bagian dengan polaritas negatif pada kurva EMF yang dikoreksi, dan perbedaan tanda e dan i menunjukkan bahwa dalam interval ini terjadi pengembalian energi listrik ke jaringan.

Jika pada saat θ = π + α energi yang tersimpan dalam induktansi L tidak habis dikonsumsi, maka arus i akan kontinu. Ketika pada waktu tertentu θ = π + α pulsa pembuka disajikan ke thyristor VS2 dan VS3, di mana tegangan maju disuplai dari sisi jaringan, mereka terbuka dan melaluinya tegangan balik diterapkan ke operasi VS1 dan VS4 dari sisi jaringan, akibatnya mereka ditutup, jenis peralihan ini disebut alami.