Силовые устройства на основе тиристоров

И мощных транзисторов

К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях, токи в которых измеряются десятками, сотнями и даже тысячами ампер (рис.2.43), а величины напряжения – сотнями и тысячами вольт.

Эти устройства бывают следующих видов:

– регулируемые выпрямители (преобразуют переменное напряжение в постоянное, регулируемое по величине);

– преобразователи частоты (преобразуют переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой, регулируемой частоты);

 

– инверторы (преобразуют постоянное напряжение в переменное).

Управляемые выпрямители. Управляемые выпрямители на основе тиристоров позволяют изменять постоянную составляющую напряжения U ₀от нуля до максимального значения, определяемого формулами для диодных выпрямителей, при неизменном напряжении сети переменного тока.

Рассмотрим принцип работы таких схем на примере однополу-периодного выпрямителя.

К синусоидальному напряжению сети U _cс амплитудой U _max подключены нагрузка R и тиристор VS (рис. 2.44, а). Тиристор открывается в момент времени, определяемый подачей на управляющий электрод УЭ импульса напряжения от схемы управления (если полупериод соответствует π, то этот момент времени соответствует углу α). В результате в течение интервала a–p к нагрузке подводится напряжение, заштрихованное на рис. 2.44, г, и по ней протекает ток.

.

В момент времени w t = pток уменьшается до нуля и тиристор запирается. Этот процесс повторяется каждый положительный полупериод (в отрицательные полупериоды тиристор заперт напряжением сети). Структурная схема управления однополупериодного тиристорного выпрямителя показана на рис. 2.43, в, а графики, поясняющие работу выпрямителя, – на рис. 2.43, г. Напряжение сети поступает на синхронизирующее устройство СУ, которое в моменты перехода напряжения через ноль запускает генератор пилообразного напряжения ГПН. Таким образом, в начале каждого полупериода напряжения сети U _cГПН формирует линейно нарастающее опорное напряжение U _оп. Это напряжение поступает на один из входов схемы сравнения СС, выполняемой на основе компаратора. На другой вход СС поступает управляющее напряжение U _упостоянного тока. В течение времени, пока напряжение U _опменьше напряжения U _y, на выходе СС низкий уровень напряжения U _сс,когда же напряжение U _опбольше напряжения U _уна выходе СС высокий уровень напряжения U _сс. По переднему фронту импульса U _ccформирователь импульсов ФИ формирует импульсы напряжения U _фи, которые подаются на УЭ тиристора и открывают его. Изменяя U _y, обеспечивают изменение угла a, т.е. момента открытия тиристора, и, таким образом, изменение времени, в течение которого через нагрузку течет ток. В результате изменяется и постоянная составляющая напряжения U ₀,равная среднему за период напряжению на нагрузке:

Напряжение U ₀увеличивается вдвое при использовании двух-полупериодногоуправляемого выпрямителя. Так как ток нагрузки в один полупериод протекает через диоды VD 1, VD 3, а в другой – через VD 2, VD 4, дляуправления током в каждом полупериоде достаточно одного тиристора. Таким образом, управляемый выпрямитель можно построить на основе мостовой схемы, заменив два диода, например VD 1и VD 2, на тиристоры.

Аналогично получают и трехфазные управляемые выпрямители, заменяядиоды на тиристоры. Такие управляемые выпрямители используют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока в электроприводах металлорежущих станков и транспортных средств.

Инверторы и преобразователи частоты. Инверторы служат для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока требуемой частоты.

В качестве переключающих приборов в сильноточных инверторах применяют тиристоры. В цепях с относительно небольшими значениями протекающих токов могут использоваться мощные полевые или биполярные транзисторы.

На рис. 2.45, а приведена структурная схема преобразователя частоты с использованием инвертора для питания трехфазной нагрузки, соединенной звездой, переменным трехфазным напряжением с регулировкой его значения U и частоты f. В качестве силовых переключающих приборов применены мощные IGBT транзисторы. Напряжение с частотой промышленной сети U _cпреобразуется сначала управляемым выпрямителем В с фильтром Ф в напряжение постоянного тока U _ требуемого значения. Затем это напряжение поступает на инвертор И (рис. 2.45, б), состоящий из шести транзисторов VT 1 — VT 6, пронумерованных в порядке последовательности их включения, показанной на рис. 2.45, в. Каждый транзистор открывается на время τ, равное длительности одного полупериода Т/2 требуемого переменного напряжения.

На рис. 2.45, г приведено ступенчатое напряжение, формируемое на фазе А нагрузки, а на рис. 2.46 пояснен процесс его формирования. На схемах рис. 2.46 в виде замкнутых ключей изображены лишь открытые транзисторы для шести последовательных состояний инвертора, соответствующих временным диаграммам рис. 2.45, в. Из анализа этих схем видно, что, когда фаза А включена параллельно В или С, на ней выделяется одна треть напряжения U ₌, а когда фаза А оказывается включенной последовательно с параллельно соединенными фазами В и С, на ней выделяется две трети напряжения U _.

 

При этом в первых трех состояниях напряжение на фазе А соответствует положительному, а последних двух – отрицательному полупериоду приложенного к ней напряжения переменного тока ступенчатой формы. Рассуждая подобным образом, можно убедиться, что к фазам В и С будет приложено такое же, как к фазе А, напряжение, но сдвинутое соответственно на одну треть и две трети периода Т. При этом образуется трехфазная система напряжений.

Изменяя с помощью схемы управления длительность открытого состояния транзистора, можно в широких пределах регулировать частоту формируемого трехфазного напряжения, поэтому такие преобразователи частоты применяют для плавного регулирования скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей.

Тиристорное управление двигателем постоянного тока. В приводах главного движения и подачи инструмента металлорежущих станков широко используются двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, которые способны обеспечивать регулирование скорости вращения в широких пределах. Такой двигатель (рис. 2.47 ) состоит из статора, на полюсах которого намотаны обмотки возбуждения (ОВ)  и ротора, называемого якорем.

Ток возбуждения I _в, проходя по ОВ под действием напряжения U _всоздает магнитный поток Ф. К якорю через щетки подводится напряжение якоря U _я, создающее ток якоря I _я. Протекая по виткам обмотки якоря, ток I _я, взаимодействуя с потоком Ф, создает вращающий момент М _вр.

Возможны два способа (две зоны) управления скоростью вращения двигателя ). В первой зоне   скорость изменяют от 0 до номинального значения п _max, увеличивая напряжение U _я при неизменном значении магнитного потока Ф, а значит, и неизменном напряжении возбуждения U _в. При достижении напряжением U _яноминального значения дальнейшее его увеличение невозможно, так как может привести к пробою изоляции. В то же время для быстрого перемещения, например, инструмента на холостом ходу или ускоренного вращения шпинделя необходимо увеличить скорость вращения двигателя в 3 — 5 раз выше n _ном. Для этого используют зону II, в которой при неизменном напряжении U _{я ном}уменьшают значение магнитного потока Ф с помощью соответствующего понижения U _в, а значит, и тока возбуждения I _в. Отметим, однако, что в зоне II приходится мириться с соответствующим понижением и вращающего момента двигателя, т. е. нагружать двигатель меньшим моментом сопротивления, который он должен преодолевать своим вращающим моментом.

В выпускаемых промышленностью тиристорных преобразователях регулирование скорости вращения в первой зоне осуществляется применением двух управляемых мощных (до нескольких десятков киловатт) трехфазных выпрямителей (на рис. 2.48 они обведены пунктиром).

Один из трехфазных выпрямителей обеспечивает правое направление вращения двигателя, а другой – левое, изменяя полярность U _яна противоположное. Естественно, что эти выпрямители должны работать раздельно во избежание короткого замыкания между ними, что и обеспечивает схема управления выпрямителями, разрешая включение одного из них лишь через  несколько миллисекунд после отключения другого.

Для управления скоростью вращения во второй зоне используется однофазная мостовая схема тиристорного выпрямителя, обеспечивающего питание обмотки возбуждения ОВ. Схема позволяет лишь уменьшать I _В, сохраняя его полярность.

Электронные корректоры коэффициента мощности. Коэффициентом мощности К _м называется отношение активной мощности Р  пульсирующего тока, измеренной ваттметром, к полной мощности S, определяемой как произведение действующих значений напряжения U и тока I, измеренных вольтметром и амперметром:

При резистивной нагрузке Р = UI, т.е. наблюдается предельное значение К _Мmax = 1. При синусоидальной форме тока и напряжения P = UIcosφ, поэтому

                                          K _M = cos φ,

где φ – сдвиг фазы между напряжением и током в сети.

Международная электротехническая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC-555, содержащий требования к допустимому уровню вносимых в сеть переменного тока высших гармоник, шумов и колебаний напряжения для всех электронных приборов. При этом обеспечение требуемого значения К _мобязательно для любого электрооборудования, потребляющего от сети мощность более 300 Вт и имеющего на выходе сетевого выпрямителя емкостной фильтр.

Вступающий в действие новый стандарт МЭК IEC-1000-3-2 (вместо IEC-555-2) значительно ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности потребителей энергии. В связи с этим задача улучшения качества потребляемой мощности становится весьма актуальной для разработчиков источников питания. Хорошо известны многие потребители, которые значительно снижают значения К _м. К их числу относятся лампы дневного света с индуктивным балластом, импульсные источники питания с емкостным фильтром на входе, асинхронные двигатели и др.

Для повышения коэффициента мощности таких потребителей в настоящее время используют пассивные и активные корректоры коэффициента мощности.

Пассивные корректоры коэффициента мощности обычно выполняются на конденсаторах и коммутирующих диодах. Такие корректоры применяются при индуктивном характере нагрузки – это источники питания ламп дневного света, асинхронные двигатели и др. Так, на рис. 2.49 приведена схема пассивного корректора коэффициента мощности для питания лампы дневного света (ЛДС) мощностью 40 Вт. В этой схеме параллельно лампе ЛДС с дросселем Др включена диодно-емкостная схема на элементах D 1 D 2, D 3и конденсаторах С_ь С₂. Емкости С_ь С₂ подбираются такими, чтобы компенсировать индуктивный характер нагрузки, а диоды D I ... D 3обеспечивают их коммутацию при изменении мгновенного значения напряжения питания.

Основным недостатком  пассивных корректоров является невозможность их использования при изменяющейся нагрузке и импульсной форме тока. Пассивный корректор, приведенный на рис. 2.49, при мощности ЛДС 40 Вт обеспечивает cosφ = 0,95.

Упрощенная схема импульсного источника питания приведена на рис. 2.50. Эта схема состоит из сетевого выпрямителя Д, емкости С фильтра и высокочастотного конвертора ВК. Выходное напряжение конвертора поступает на нагрузку R _н При синусоидальном напряжении сети и_с выходное напряжение выпрямителя u _в и ток, потребляемый от сети, имеют пульсирующую форму. Как видно из временной диаграммы, приведенной на рис. 2.50, б, форма тока, потребляемого из сети, имеет вид узкого импульса большой амплитуды и малой длительности.

 

При такой форме импульсов тока их спектр оказывается очень широким и содержит большое число гармоник. В результате чего коэффициент мощности источника питания снижается до значения 0,5... 0,7. Повысить коэффициент мощности можно с помощью пассивной схемы коррекции, однако такая схема должна включать индуктивности, которые на частоте 50 Гц будут иметь большие габариты и массу. Кроме того, такая схема потребует изменения индуктивности при изменении нагрузки. Все это показывает нецелесообразность применения пассивных корректоров мощности для импульсных источников питания.

Активные корректоры коэффициента мощности. Для работы с импульсными источниками питания фирма Micro Linear в 1989 году разработала первую микросхему ML4812 управления активным корректором мощности.

 Позднее к разработке аналогичных схем подключились такие крупные фирмы, как Siemens, Unitrode Motorola. В результате этих разработок в настоящее время имеется большое количество схем управления импульсными источниками питания, совмещенными корректорами коэффициента мощности.

Рассмотрим вначале принцип действия активного корректора коэффициента мощности. На рис. 2.51 приведена упрощенная структурная схема такого корректора. Как видно из схемы, получение коэффициента мощности, близкого к единице, достигается за счет исключения из выпрямителя емкости фильтра, которая обычно устанавливается в импульсных источниках питания для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Вместо этой емкости в схему вводится высокочастотный импульсный стабилизатор повышающего типа, с небольшой индуктивностью L на входе, работающий в граничном режиме прерывистого тока в индуктивности.

Схема повышающего импульсного стабилизатора состоит из индуктивности L, ключевого транзистора Т, диода D_c и емкости С_ф сглаживающего фильтра. В соответствии с принципом действия повышающего стабилизатора напряжения при включении транзистора Т через индуктивность L начинает протекать ток, который нарастает по линейному закону. При выключении транзистора Т ток в индуктивности L начинает спадать по линейному закону, заряжая через диод D_c емкость фильтра С _ф.

Включение и выключение ключевого транзистора Т выполняется устройством управления, которое состоит из датчика выпрямленного напряжения ДВН, датчика тока ДТ в индуктивности L и схемы формирования импульсов управления СУ. Процесс формирования импульсов управления иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на рис. 2.51,б. Как видно из этих диаграмм, включение транзистора Т происходит в момент времени, когда напряжение на выходе датчика тока ДТ становится равным нулю (т. е. при нулевом токе в индуктивности L). Выключение транзистора Т происходит в момент времени, когда линейно нарастающее напряжение с датчика тока становится равным изменяющемуся по синусоидальному закону напряжению сдатчика выпрямленного напряжения ДВН.

После выключения транзистора ток в индуктивности начинает спадать, и при нулевом значении тока транзистор Т вновь включается. Далее процесс повторяется с достаточно высокой частотой. Усредненный ток i _ср в индуктивности оказывается синусоидальным по форме и почти совпадающим по фазе с выпрямленным  напряжением. Таким образом, благодаря схеме корректора достигается высокое  значение коэффициента мощности.

К недостаткам приведенной схемы корректора коэффициента мощности (ККМ) следует отнести отсутствие стабилизации выходного напряжения u _вых. При изменении напряжения сети или нагрузки выходное напряжение ККМ будет также изменяться. Для получения стабильного выходного напряжения в схему ККМ вводится дополнительная обратная связь по выходному напряжению.

 

Вопросы для самопроверки

1. Когда используется режим В усилительного каскада?

2. Чем отличается ОУ от УЭ?

3. В чём отличие компаратора от коммутатора?

4. Какое напряжение должны выдерживать диоды в мостовой схеме выпрямителя, подключенного под напряжение сети?

5. Коэффициент стабилизации у параметрического стабилизатора больше или меньше 1?

6. В чем отличие компенсационного стабилизатора напряжения от импульсного?

7. Каковы особенности эмиттерного повторителя?

8. Чем отличается УПТ от УК ОК?

9. В каком диапазоне лежит обычно значение КПД усилительного каскада, работающего в режиме А?

10.  Как отразится на работе мостового выпрямителя обрыв одного из диодов?