Rectificadores monofásicos: esquemas y principio de funcionamiento.
Un rectificador es un dispositivo diseñado para convertir un voltaje de CA de entrada en un voltaje de CC. El módulo principal del rectificador es un conjunto de sierras de vena que convierte directamente el voltaje de CA a CC.
Si es necesario hacer coincidir los parámetros de la red con los parámetros de la carga, el conjunto rectificador se conecta a la red a través de un transformador de adaptación. Según el número de fases de la red de alimentación, los rectificadores son monofásicos y tres fases… Ver más detalles aquí — Clasificación de los rectificadores de semiconductores.… En este artículo consideraremos el funcionamiento de los rectificadores monofásicos.
Rectificador monofásico de media onda
El circuito rectificador más simple es un rectificador monofásico de media onda (Fig. 1).
Arroz. 1. Esquema de un rectificador monofásico de media onda controlado
Los esquemas de operación del rectificador de carga R se muestran en la Figura 2.
Arroz. 2. Esquemas de funcionamiento del rectificador para carga R.
Para abrir el tiristor, se deben cumplir dos condiciones:
1) el potencial del ánodo debe ser mayor que el potencial del cátodo;
2) se debe aplicar un pulso de apertura al electrodo de control.
Para este circuito, el cumplimiento simultáneo de estas condiciones solo es posible durante semiciclos positivos de la tensión de alimentación. Un sistema de control de fase de pulso (SIFU) debe formar pulsos de apertura solo en NSoluneriods positivos de la tensión de alimentación.
Al solicitar tiristor VS1 del pulso de apertura en el momento θ = α, el tiristor VS1 se abre y la tensión de alimentación U se aplica a la carga1 durante el resto del semiciclo positivo (la caída de tensión directa en la válvula ΔUv es insignificante en comparación con la tensión U1 (ΔUv = 1 — 2 V) ). Dado que la carga R — activa, la corriente en la carga repite la forma del voltaje.
Al final del semiciclo positivo, la corriente de carga i y la válvula VS1 disminuirán a cero (θ = nπ), y el voltaje U1 cambiará de signo. Por lo tanto, se aplica un voltaje inverso al tiristor VS1, bajo cuya acción se cierra y restaura sus propiedades de control.
Tal conmutación de válvulas bajo la influencia del voltaje de la fuente de alimentación, que cambia periódicamente su polaridad, se denomina natural.
Se puede ver en los diagramas que un cambio en un cable conduce a un cambio en parte del semiciclo positivo durante el cual se aplica el voltaje de suministro a la carga y, por lo tanto, esto conduce a una regulación del consumo de energía. La inyección α caracteriza el retraso en el momento de apertura del tiristor en comparación con el momento de su apertura natural y se denomina ángulo de apertura (control) de la válvula.
La fem y la corriente del rectificador son segmentos sucesivos de ondas semisinusoidales positivas, constantes en dirección pero no constantes en magnitud, es decir la FEM rectificada y la corriente tienen un carácter pulsante periódico. Y cualquier función periódica se puede expandir en series de Fourier:
e(t) = E + en(T),
donde E es el componente constante de la FEM corregida, en(T) — componente variable igual a la suma de todos los componentes armónicos.
Por lo tanto, podemos suponer que se aplica a la carga una FEM constante distorsionada por el componente variable en (t). El componente permanente del EMF E es la característica principal del EMF rectificado.
El proceso de regular el voltaje de carga cambiándolo se llama control de fase... Este esquema tiene varias desventajas:
1) alto contenido de armónicos superiores en la FEM corregida;
2) grandes ondas de CEM y corriente;
3) operación de circuito intermitente;
4) utilización de baja tensión de circuito (kche =0,45).
El modo de operación de corriente de interrupción del rectificador es un modo en el que se interrumpe la corriente en el circuito de carga del rectificador, es decir, se convierte en cero.
Rectificador monofásico de media onda cuando funciona con una carga inductiva activa
Los diagramas de temporización de la operación del rectificador de media onda para carga RL se muestran en la Fig. 3.
Arroz. 3. Diagramas de operación del rectificador de media onda para carga RL
Para analizar los procesos que tienen lugar en el esquema, asignemos tres intervalos de tiempo.
1. α <θ <δ… El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la fig. 4.
Re. 4. Circuito equivalente para α <θ <δ
Según el esquema equivalente:
Durante este intervalo de tiempo, eL (FEM de autoinducción) vuelve a la tensión de red U1 y evita un aumento brusco de la corriente. La energía de la red se convierte en calor en R y se acumula en el campo electromagnético con inductancia L.
2. α < θ < π. El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la Fig. 5.
Higo. 5… Circuito equivalente para α <θ < π
En este intervalo, la FEM de autoinducción eL cambió de signo (en este momento θ = δ).
En θ δ dL cambia de signo y tiende a mantener la corriente en el circuito. Está dirigido según U1. En este intervalo, la energía de la red y acumulada en el campo de la inductancia L se convierte en calor en R.
3. π θ α + λ. El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la Fig. 6.
Arroz. 6 Circuito equivalente
En algún momento θ = π, el voltaje de línea U1 cambia su polaridad, pero el tiristor VS1 permanece en el estado conductor porque, por ejemplo, L excede a U1 y el voltaje directo se mantiene en el tiristor. La corriente bajo la acción de dL fluirá a través de la carga en la misma dirección, mientras que la energía almacenada en el campo de la inductancia L no se consumirá por completo.
En este intervalo, parte de la energía acumulada en el campo inductivo se convierte en calor en la resistencia R y parte se transmite a la red. El proceso de transferir energía de un circuito de CC a un circuito de CA se llama inversión... Esto se evidencia por los diferentes signos de e e i.
La duración del flujo de corriente en la sección con polaridad negativa U1 depende de la relación entre las cantidades L y R (XL=ωL). Cuanto mayor sea la relación — ωL/ R, mayor será la duración del flujo de corriente λ.
Si hay una inductancia en el circuito de carga L, entonces la forma de la corriente se vuelve más suave y la corriente fluye incluso en áreas de polaridad negativa U1... En este caso, el tiristor VS1 no se cierra durante la transición del voltaje U1 a 0 y en ese momento la corriente cae a cero. Si ωL/ R→oo, entonces en α = 0 λ → 2π.
El principio de funcionamiento de un puente rectificador monofásico en modo continuo cuando opera cargas activas y activas-inductivas
El circuito de potencia de un puente rectificador monofásico se muestra en la Fig. 7, y los diagramas de tiempo de su trabajo en la carga activa se muestran en la fig. ocho.
El puente de válvulas (Fig. 7) contiene dos grupos de válvulas: cátodo (válvulas impares) y ánodo (válvulas pares). En el circuito puente, la corriente es transportada simultáneamente por dos válvulas: una del grupo de cátodos y otra del grupo de ánodos.
Como puede verse en la fig. 7, las puertas se activan de modo que durante los semiciclos positivos del voltaje U2, la corriente fluya a través de las puertas VS1 y VS4, y durante los semiciclos negativos a través de las puertas VS2 y VS3. Suponemos que las válvulas y el transformador son ideales, es decir Ltp = Rtp = 0, ΔUB = 0.
Arroz. 7. Esquema de un puente rectificador monofásico
Arroz. 8. Esquemas de operación de un rectificador controlado por puente monofásico en una carga resistiva
En este circuito, en cualquier instante de tiempo, un par de tiristores VS1 y VS4 conducen corriente en semiciclos positivos U2 y VS2 y VS3 en negativos. Cuando todos los tiristores están cerrados, se aplica la mitad de la tensión de alimentación a cada uno de ellos.
En θ =α, abra VS1 y VS4 y la carga comenzará a fluir a través de VS1 y VS4 abiertos. Los modelos VS2 y VS3 anteriores funcionan con tensión de red total en sentido inverso.Cuando v = l-, U2 cambia de signo y como la carga está activa, la corriente se vuelve cero y se aplica voltaje inverso a VS1 y VS4 y se cierran.
En θ =π +α, los tiristores VS2 y VS3 se abren y la corriente de carga continúa fluyendo en la misma dirección. La corriente en este circuito en L = 0 tiene un carácter intermitente, y solo en α= 0 la corriente será marginalmente continua.
El modo límite continuo es un modo en el que la corriente en algunos momentos de tiempo disminuye a cero, pero no se interrumpe.
Upr.max = Uobr.max = √2U2(con transformador),
Upr.max = Uobr.max = √2U1 (sin transformador).
Funcionamiento del circuito para una carga activa-inductiva
La carga R-L es típica de devanados de aparatos eléctricos y devanados de campo de máquinas eléctricas o cuando se instala un filtro inductivo a la salida del rectificador. La influencia de la inductancia afecta la forma de la curva de corriente de carga, así como los valores promedio y efectivo de la corriente a través de las válvulas y el transformador. Cuanto mayor sea la inductancia del circuito de carga, menor será el componente de corriente alterna.
Para simplificar los cálculos, se supone que la corriente de carga está perfectamente suavizada (L→oo). Esto es legal cuando ωNSL> 5R, donde ωNS — la frecuencia circular de la ondulación de salida del rectificador. Si se cumple esta condición, el error de cálculo es insignificante y puede ignorarse.
Los diagramas de temporización de la operación de un puente rectificador monofásico para una carga activa-inductiva se muestran en la Fig. nueve.
Arroz. 9. Esquemas de operación de un puente rectificador monofásico cuando opera en una carga RL
Para examinar los procesos que tienen lugar en el esquema, separaremos tres áreas de trabajo.
1. un El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la Fig.diez.
Arroz. 10. Circuito equivalente de un rectificador
En el intervalo considerado, la energía de la red se convierte en calor en la resistencia R y una parte se acumula en el campo electromagnético de la inductancia.
2. α < θ < π. El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la Fig. once.
Arroz. 11. Circuito equivalente del rectificador para α <θ < π
En un momento θ = δ la FEM de autoinducción eL = 0 porque la corriente alcanza su valor máximo.
En este intervalo, la energía acumulada en la inductancia y consumida por la red se convierte en calor en la resistencia R.
3. π θ α + λ. El circuito equivalente correspondiente a este intervalo se muestra en la Fig. 12
Arroz. 12. Circuito equivalente del rectificador en π θ α + λ
En este intervalo, parte de la energía acumulada en el campo inductivo se convierte en calor en la resistencia R, y parte se devuelve a la red.
La acción de la FEM de autoinducción en el 3er tramo provoca la aparición de tramos con polaridad negativa en la curva de la FEM corregida, y los diferentes signos de e e i indican que en este intervalo hay retorno de energía eléctrica a la red
Si en el tiempo θ = π + α la energía almacenada en la inductancia L no se consume por completo, entonces la corriente i será continua. Cuando en un momento determinado θ = π + α se sirven pulsos de apertura a los tiristores VS2 y VS3, a los que se les suministra tensión directa desde el lado de la red, se abren y a través de ellos se les aplica una tensión inversa a los VS1 y VS4 operativos desde el lado de la red. lado de la red, como resultado de lo cual se cierran, este tipo de conmutación se llama natural.