Исследование фазового регулятора напряжения

Цель работы

Цель работы - ознакомление с основными свойствами и параметрами тиристора, способами его управления, изучение принципа действия управляемого однофазного выпрямителя, освоение методики экспериментального определения основных характеристик исследуемых устройств.

Задание для самостоятельной подготовки к работе

1. Ознакомиться с основными параметрами тиристоров.

2. Установить причину изменения среднего напряжения на нагрузке выпрямителя от угла включения тиристоров.

3. Выяснить причину удержания тиристора во включенном состоянии после исчезновения тока через его управляющий электрод.

4. Установить причину отключения тиристоров при их естественной коммутации.

Теоретическая часть

В современных электронных устройствах преобразования электрической энергии широкое применение в качестве основных силовых управляемых элементов получили - тиристоры, обладающие высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. На основе тиристоров разработаны экономичные, надежные малогабаритные управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других приборах, где требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

Тиристором называют полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой р-n-р-n, имеющий два устойчивых электрических состояния – закрытое или открытое (выключенное или включенное). Переход из закрытого состояния в открытое, т.е. включение тиристора, осуществляется по цепи управления с помощью маломощного электрического сигнала управления.

Тиристор имеет три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Силовой цепью тиристора, по которой проходит коммутируемый ток, является участок цепи анод (А) – катод (К). Включение тиристора возможно только при положительном токе управления I_У > 0, проходящем по цепи управления УЭ – К, при положительном напряжении между анодом и катодом U_AК > 0. Закрытое состояние тиристора характеризуется большим значением сопротивления между анодом и катодом, а открытое состояние - малым сопротивлением между анодом и катодом.

Тиристоры, предназначенные не только для включения, но и для выключения их по управляющему электроду, получили название полностью управляемых. Однако из-за их малой мощности они не имеют широкого распространения и применяются, в основном в устройствах автоматики.

Свойства тиристора как элемента простейшей электрической цепи (рис. 2.1, а) иллюстрируются его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая при указанных положительных направлениях токов и напряжении представлена на рис. 2.1, б.

 

Рис. 2.1

 

Обратное напряжение тиристора не должно превышать значение U_ОБРmax, которое указывается в справочниках, а прямое анодное напряжение не должно превышать напряжения переключения U_ПЕР (точка А). Если по цепи управляющего электрода протекает ток, то тиристор включается и ток в силовой цепи тиристора ограничивается сопротивлением нагрузки R_H (рис. 2.1, а). При большей величине тока управляющего электрода включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения.

После включения электрическое состояние тиристора характери­зуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Лишь если анодный ток становится меньше некоторого значения, называемого током удержания I_УД (точка В), то тиристор выключается. При токе управляющего электрода, называемого током спрямления I_УСПР, ВАХ тиристора становится аналогичной ВАХ обычного диода (участок ОВС).

Для включения тиристоров достаточен ток управляющего электрода в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов. Выключение тиристора произойдет, если каким-либо образом уменьшить анодный ток до значения, меньшего, чем значение тока удержания I_УД. Существуют различные схемы выключения тиристоров, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так, при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим естественной коммутации). В цепях постоянного тока для запирания тиристора вводят специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньшего, чем ток удержания, что чаще всего осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор.

Диапазон прямых токов тиристоров составляет от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер, а диапазон напряжений - от нескольких вольт до нескольких киловольт. К справочным параметрам тиристоров относятся предельно допустимое значение тока в импульсе и максимальный допустимый средний ток тиристора. Параметром по напряжению тиристоров является максимально допустимое прямое напряжение (U_ПРmax), при отсутствии тока управляющего электрода. Динамические параметры тиристора оценивают по времени включения t_ВКЛ, т.е. перехода тиристора из закрытого состояния в открытое, и времени выключения t_ВЫКЛ. Величины t_ВКЛ и t_ВЫКЛ определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время t_ВКЛ составляет менее 1 мкс, а время t_ВЫКЛ от 3 до 250 мкс.

В настоящей работе исследуется управляемый двухполупериодный выпрямитель однофазного напряжения (рис. 2.2). Он содержит тиристоры VS1 и VS2 и блок управления, формирующий импульсы управления i_У1 и i_У2, синхронизированные с переменным напряжением U₁. Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H. Задержка включения тиристоров устанавливается с помощью резистора R_α.

 

Рис. 2.2

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы (рис. 2.3).

В интервале времени от 0 до π напряжение U₁ положительно. Поскольку в цепи управления тиристора VS1 появляется ток i_У1 > 0, который включает тиристор и через него начинает протекать ток нагрузки. При этом тиристор VS2 будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.

В интервале времени от π до 2 π напряжение U₁ отрицательно, поэтому тиристор VS1 будет выключен приложением обратного анодного напряжения, а тиристор VS2 включится током цепи управления i_У2 > 0. Далее процессы будут периодически повторяться.

Рис. 2.3

Моменты включения тиристоров оценивают углами включения α₁ и α₂, которые, как правило, одинаковы (α₁ = α₂ = α) и отсчитываются от момента появления на соответствующем тиристоре прямого анодного напряжения. Таким образом, ток управления представляет собой последовательность импульсов, частота которых равна частоте выпрямляемого напряжения. С изменением угла включения α изменяется среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U_d, которое выражается формулой

(2.1)

Умножив числитель и знаменатель на 2, формулу можно переписать в следующем виде:

, (2.2)

где U_d0 – значение U_d при α = 0.

Эту зависимость принято называть регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя U_d = f (α), по которой можно определить диапазон изменения выпрямлен­ного напряжения. Как видно из формулы (2.2), в случае работы выпрямителя на чисто активную нагрузку предельным углом управления α, при котором выпрямлен­ное напряжение равняется нулю, будет угол α_m = 180°. Величина угла включения тиристоров α изменяется с помощью сопротивления R_α (рис. 2.2).

Свойства выпрямительного устройства оценивают также по его внешней характеристике, которая для управляемого выпрямителя представляет собой зависимость U_d = f (I_d) при фиксированном значении угла α.