2. Аналитический обзор
2.1 Силовая часть преобразователя
      Выпрямитель может быть представлен в виде структурной схемы, показанной на рис. 1. Силовой трансформатор 1 служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Трансформатор одновременно электрически разделяет питающую сеть и сеть нагрузки. Блок вентилей 2 осуществляют функцию выпрямления переменного тока. Сглаживающий фильтр 3 является звеном, уменьшающим пульсации выпрямленного тока в цепи нагрузки 4. В случае управляемого выпрямителя в структуру схемы входит еще блок 5, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования. Для защиты самого выпрямителя от повреждения в аварийных режимах в его схему входит еще система защиты и сигнализации 6.
Рис. 1. Структурная схема выпрямителя
      Полупроводниковые выпрямители могут быть классифицированы по следующим основным признакам.

      По входной мощности: установки малой (единицы киловатт), средней (десятки киловатт) и большой мощности.

      По числу фаз источника питания: выпрямители однофазного тока; выпрямители трехфазного тока.

      По возможности регулирования: неуправляемые выпрямители; управляемые выпрямители.

      Разделение выпрямителей по мощности имеет значение для выбора схемы выпрямления, типа применяемых вентилей и метода расчета параметров элементов схемы.

      Приведем описание и краткую характеристику существующих схем выпрямления переменного тока.
1. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора (рис. 2)


      Основная область применения этой схемы установки малой мощности, где требуются минимальные потери напряжения в выпрямительной установке, она не реализуема без среднего отвода трансформатора.
Рис. 2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним выводом трансформатора
      Работа схемы на чисто активную нагрузку (ключ К замкнут) представлена на временных диаграммах рис. 3
Рис. 3
.
Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку

      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:

 где

m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 4





















Рис. 4. Регулировочная характеристика при работе однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активную нагрузку
      Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет

, где

U_2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

      Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:

.

      Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны:

, , , где

K_f - коэффициент формы тока в вентиле

      Мощность первичной обмотки трансформатора равна:

; где

U_1ф - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора,

I_1н - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,

 - номинальная мощность выпрямленного тока,

 - коэффициент трансформации трансформатора.

      Мощность двух вторичных обмоток равна:

; где

I_2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.

      Расчетная мощность трансформатора S_т равна:



      Работа схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) приведена на временных диаграммах рис. 5.
Рис. 5. Временные диаграммы работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности

      Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):

; где

m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 6.
Рис. 6. Регулировочная характеристика однофазного двухполупериодного выпрямителя со средним выводом трансформатора при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
      Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет

.

      Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:

.

      Средний выпрямленный ток может быть определен как

.

      Мощность первичной обмотки трансформатора равна:

; где

I_1н - номинальный действующий ток первичной обмотки трансформатора,

 - номинальная мощность выпрямленного тока,

      Мощность двух вторичных обмоток равна:

; где

I_2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.

      Расчетная мощность трансформатора S_т равна:

.
2.
Однофазная мостовая схема (рис. 7)

      Основная область применения - установки малой мощности, но иногда применяется и в установках большой мощности.
Рис. 7. Однофазная мостовая схема симметричная (а), несимметричная схема 1 (б), несимметричная схема 2 (в)
      Работа всех симметричных и несимметричных однофазных мостовых схем приведенных на рис. 7 при активной нагрузке (ключ К замкнут) одинакова и представлена временными диаграммами рис. 8.
Рис. 8. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы на активную нагрузку
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:

 где

m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 9
Рис. 9. Регулировочная характеристика однофазной мостовой схемы при работе на активную нагрузку
      Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет

, где

U_2ф - действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

      Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:

.

      Средний выпрямленный ток, максимальные средний и действующий токи через вентиль соответственно равны:

, , .

      Расчетная мощность трансформатора S_т равна:

, где

- номинальная активная мощность выпрямленного тока,

I_2н - номинальный действующий ток вторичной обмотки трансформатора.
      Работа симметричного однофазного мостового выпрямителя (рис. 7а) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности представлена  на временных диаграммах рис. 10
Рис. 10. Временные диаграммы работы симметричной однофазной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
      Вывод регулировочной характеристики выпрямителя при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности):

; где

m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной полуобмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 11.
Рис. 11. Регулировочная характеристика однофазной симметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку

      Максимальное обратное напряжение на вентиле в данной схеме составляет

, где

U_2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

      Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:

.

      Средний выпрямленный ток, максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль соответственно равны

, , , где

K_f - коэффициент формы тока в вентиле.

      Расчетная мощность трансформатора S_т равна:

, где

- номинальная мощность выпрямленного тока.
      Рассмотрим работу несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (ключ К разомкнут) при индуктивности нагрузки равной бесконечности. Временные диаграммы работы схемы показаны на рис. 12
Рис. 12. Временные диаграммы работы несимметричной мостовой схемы (рис. 7б) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)

     

      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:
 где
m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.
, отсюда

, тогда

.
Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 13
Рис. 13. Регулировочная характеристика несимметричной однофазной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку
 

     Работанесимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку показана на временных диаграммах рис. 14, индуктивность нагрузки равна бесконечности.
Рис. 14. Временные диаграммы работы несимметричной однофазной мостовой схемы (рис. 7в) на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку:

 где

m = 2 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2m - амплитудное значение напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид аналогичный предыдущей схемы рис. 13.

      Исходя из временных диаграмм рис. 12 и рис. 14 можно сказать, что схема приведенная на рис. 7б обладает преимуществом по сравнению со схемой рис. 7в, так как среднее значение тока через все вентили в схеме рис. 7б имеют одинаковое значение, в то время как неуправляемые вентили в схеме рис. 7в находятся под большей нагрузкой по сравнению с неуправляемыми.

      Средний и действующий токи через управляемые вентили в схеме рис. 7в равны:

; .

      Для неуправляемых вентилей

; .

      Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

.
3.
Трехфазная схема со средней точкой (рис. 15)


      Трехфазная схема со средней точкой используется в установках средней мощности. Недостатком данной схемы является наличие однополярного подмагничивания сердечника трансформатора из-за наличия постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора.
Рис. 15. Трехфазная схема со средней точкой
      Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 16
Рис. 16. Временные диаграммы работы трехфазной схемы со средней точкой на активную нагрузку: режим непрерывных токов 0
°
£
a
£
30
°
(а), режим прерывистых токов 30
°
£
a
£
150
°
(б)
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме непрерывных токов (РНТ) (0°£a£30°):

, где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mф - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 17а

Рис. 17. Регулировочная характеристика для трехфазного выпрямителя со средней точкой при работе на активную нагрузку: в режиме РНТ (а), в режиме РПТ (б)
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме прерывистых токов (РПТ) (30°£a£150°):

,где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mф - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

      Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 17б.

      Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

, где

U_2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

      Максимальное прямое напряжение на вентиле зависит от угла управления a следующим образом:

 (при a<30°) и (при a>30°)

      Максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль (для случаев соединения обмоток Y/Y и D/Y) соответственно равны

, , где

I_d - среднее значение выпрямленного тока.

      Полные мощности первичной и вторичной обмоток в случае соединения трансформатора в группы Y/Y и D/Y соответственно равны:

;

.

      Типовая мощность трансформатора равна:

, где

- номинальная мощность выпрямленного тока.
      Рассмотрим работу трехфазной схемы со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 15 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 18.
Рис. 18. Временные диаграммы работы трехфазной схемы со средней точкой на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности.

     

      Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:

, где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mф - амплитудное значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 19
Рис. 19. Регулировочная характеристика трехфазной схемы со средней точкой при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
      Максимальное обратное и прямое напряжение на вентиле определяется формулами:

;

.
4.
Трехфазная мостовая схема (рис. 20)


      Трехфазная мостовая схема применяется в установках средней и большой мощности и обладает высокими технико-экономическими показателями. Трехфазная мостовая схема может быть представлена как последовательное соединение двух трехфазных схем со средней точкой, питаемых от одной обмотки трансформатора.
Рис. 20. Трехфазный симметричный мостовой выпрямитель
      Рассмотрим работу трехфазного симметричного мостового выпрямителя на активную нагрузку. Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 21.
Рис. 21. Временные диаграммы работы трехфазной мостовой схемы на активную нагрузку: режим непрерывных токов 0
°
£
a
£
60
°
(а), режим прерывистых токов 60
°
£
a
£
120
°
(б)
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме непрерывных токов (РНТ) (0°£a£60°):

, где

m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 22а
Рис. 22. Регулировочная характеристика для трехфазного симметричного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку: в режиме РНТ (а), в режиме РПТ (б)
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку в режиме прерывистых токов (РПТ) (60°£a£120°):

,где

m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

      Полученная регулировочная характеристика имеет вид рис. 22б.

      Максимальное обратное напряжение равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора:

, где

U_2ф - действующее значение фазного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

      Рассмотрим работу трехфазной симметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 20 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 23.
Рис. 23. Временные диаграммы работы трехфазной симметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности.

     

      Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:

, где

m = 6 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 24.
Рис. 24. Регулировочная характеристика трехфазной симметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)
      Максимальное обратное и прямое напряжение на вентиле определяется формулами:

,

.

      Максимальное среднее и действующее значения тока через вентиль (для случаев соединения обмоток Y/Y и D/Y) соответственно равны

, , где

I_d - среднее значение выпрямленного тока.

      Типовая мощность трансформатора равна:

, где

- номинальная мощность выпрямленного тока,

U_1ф - действующее значение фазного напряжения первичной обмотки трансформатора,

I_1н - действующее значение номинального тока первичной обмотки трансформатора.
5.
Трехфазный  несимметричный мостовой выпрямитель (рис. 25)
      В трехфазной мостовой схеме можно применять управляемые вентили в половинном количестве. Это может быть необходимо, когда не требуется рекуперация энергии в сеть, а уменьшение количества управляемых вентилей соответственно упрощает систему импульсно-фазового управления (СИФУ). Кроме того, особенностью данной схемы является то, что при угле управления равном 90° число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети m=6, а при углах управления отличных от нуля m=3.
Рис. 25. Трехфазный несимметричный мостовой выпрямитель.

      Рассмотрим работу трехфазного несимметричного мостового выпрямителя на активную нагрузку. Временные диаграммы работы данной схемы на активную нагрузку (ключ К замкнут) приведены на рис. 26.
Рис. 26. Временные диаграммы работы трехфазной несимметричной мостовой схемы на активную нагрузку: при 0
°
£
a
£
60
°
(а), при
a
³
60
°
(б)

      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку при 0°£a£60°:


, где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 27
Рис. 27. Регулировочная характеристика для трехфазного несимметричного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку
      Среднее значение выпрямленного напряжения (регулировочная характеристика) при работе схемы на активную нагрузку при 60°£a£180°:

,где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Полученная  регулировочная характеристика имеет вид рис. 27.
      Рассмотрим работу трехфазной несимметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку (ключ К в схеме рис. 25 разомкнут). Временные диаграммы представлены на рис. 28.
Рис. 28. Временные диаграммы работы трехфазной несимметричной мостовой схемы на активно-индуктивную нагрузку при индуктивности нагрузки равной бесконечности

     

      Среднее значение выпрямленного напряжения при работе схемы на активно-индуктивную нагрузку:

,где

m = 3 - число пульсаций выпрямленного напряжения за период сети,

U_2mл - амплитудное значение линейного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

   Среднее значение выпрямленного напряжения при a = 0.

, отсюда

, тогда

.

Следовательно, регулировочная характеристика имеет вид рис. 29.
Рис. 29. Регулировочная характеристика трехфазной несимметричной мостовой схемы при работе на активно-индуктивную нагрузку (индуктивность нагрузки равна бесконечности)