Выпрямитель с управляемыми вентилями может обеспечить регулировку выпрямленного напряжения при высоком КПД, имеет меньшие габариты, чем выпрямители со специальными регуляторами переменного или постоянного напряжения. Кроме того, в выпрямителе с управляемыми вентилями может быть обеспечена высокая скорость регулирования, что позволяет стабилизировать выпрямленное напряжение и осуществить быстродействующую защиту выпрямителя от перегрузок и коротких замыканий. Управляемые вентили (тиристоры, тиратроны) могут находиться в двух состояниях: открытом – тогда падение напряжения на них почти не зависит от тока, и закрытом – тогда тока в вентиле нет.
Регулирование выходного напряжения выпрямителя посредством управляемого вентиля основано на изменении момента открывания очередного вентиля.
Рассмотрим принцип работы регулируемого двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, схема электрическая принципиальная которого показана на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная регулируемого двухполупериодного выпрямителя на тиристорах
Схема управляемого выпрямителя состоит из: силового трансформатора со средней точкой, двух тиристоров, индуктивно-ёмкостного фильтра и схемы управления тиристорами.
В схемах управляемых выпрямителей из-за большой пульсации выпрямленного напряжения почти всегда применяется LC-фильтр и тиристоры в них гораздо лучше работают при активной нагрузке или нагрузке, начинающейся с индуктивности. В управляемый выпрямитель тиристор включается как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подается управляющий сигнал от схемы управления, который включает тиристор в момент времени, характеризующийся углом α (рисунок 2).
Рисунок 2 - Временные диаграммы, поясняющие принцип работы регулируемого выпрямителя
На выход выпрямителя проходят лишь те части напряжения вторичных полуобмоток u21 и u22, которые соответствуют открытым тиристорам VD1 и VD2. При расссмотрении принципа действия схемы вводим следующие допущения: LДр = ∞ и ток в дросселе iДр будет непрерывным, т. е. не может претерпевать изменений, и равен току нагрузки. Ток нагрузки поочередно протекает в фазах вторичной обмотки и независимо от угла регулирования α каждый тиристор открыт половину периода. При α > 0 через открытый тиристор протекает ток под действием ЭДС самоиндукции дросселя несмотря на то, что ЭДС фазы вторичной обмотки изменила направление.
Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя в течение части периода от ωt = α до ωt = π положительно, а от ωt = π до ωt = π + α отрицательно и среднее значение выпрямленного напряжения будет определятся зависимостью:
Из этого выражения следует, что напряжение на нагрузке определяется не только амплитудой подводимого напряжения, но и углом отставания управляющих тиристорами импульсов. В данном выпрямителе регулировка выпрямленного напряжения достигается изменением фазы управляющих импульсов и не связана с гашением избытка мощности в тиристоре, что является основным достоинством управляемых выпрямителей.
Выражение для определения среднего значения выпрямленного напряжения U0сс справедливо, если не нарушается условие непрерывности тока в дросселе. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы индуктивность обмотки дросселя была больше некоторого критического значения индуктивности:
Однако данное условие трудновыполнимо при больших сопротивлениях нагрузки и при холостом ходе выпрямителя. При нарушении условия непрерывности тока дросселя (L < Lкр) время открытого состояния тиристора уменьшается. Ток в дросселе в этом случае прерывистый, а напряжение на выходе выпрямителя в течение некоторого времени равно нулю.
В режиме прерывистых токов увеличиваются действующие значения токов тиристоров и трансформаторов, что нежелательно. Поэтому индуктивность дросселя LДр выбирают такой, чтобы, по возможности, во всём диапазоне изменения сопротивления нагрузки удовлетворялось бы условие непрерывности тока. В режиме непрерывного тока дросселя форма тока фазы приближается к прямоугольной.
Величина пульсации на выходе выпрямителя зависит от угла регулирования α. При его увеличении увеличивается пульсация. При изменении угла регулирования α изменяется угол сдвига между первой гармоникой тока и напряжения, что приводит к росту потребляемой выпрямителем от сети реактивной мощности, т. е. уменьшается cos φ. Для уменьшения пульсации выходного напряжения и повышения cos φ на выходе выпрямителя включают обратный диод.
В момент ωt = α открывается тиристор VD1, так как на его управляющий электрод поступает отпирающий сигнал и напряжение на выходе выпрямителя равно напряжению фазы α. В момент ωt = π тиристор VD1 закрывается, так как напряжение на его аноде становится равным нулю и ток в нагрузке протекает под действием ЭДС самоиндукции дросселя через обратный диод VD3 (не показан на рисунке 1). В момент ωt = π + α открывается тиристор VD2 и вступает в работу вторая половина вторичной обмотки трансформатора. В течение части периода, когда открыт один из тиристоров, диод VD3 закрыт, так как он находится под обратным напряжением. При закрывании тиристора VD1 или VD2 в обмотке дросселя наводится ЭДС самоиндукции, которая шунтируется через открывшийся диод VD3.
Для двухполупериодного управляемого выпрямителя угол регулирования α может меняться в пределах 20–150 градусов. С целью расширения пределов регулирования на управляющие электроды тиристора необходимо подавать импульсы с крутым передним фронтом. Для этой цели применяют быстродействующие магнитные усилители или генераторы импульсов на транзисторах.