Способы и устройства управления тиристорами

Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей сигнала на управляющий электрод. Существует несколько методов управления тиристорами: амплитудный, фазовый, широтно-импульсный.

Амплитудный метод управления основан на зависимости напряжения переключения тиристора U_n от величины тока управления. При этом увеличение тока управления I_У приводит к уменьшению напряжения переключения рис.34.1,а, то есть каждому уровню тока управления соответствует определенный уровень анодного напряжения U_n, при котором включается тиристор. К недостаткам амплитудного метода управления следует отнести, во-первых, неоднозначность характеристик вход-выход (зависимость выходного напряжения от величины сигнала управления) тиристорного усилителя, обусловленную значительным разбросом входных характеристик тиристоров и их существенной зависимостью от температуры, и во-вторых, увеличенные потери в тиристоре за счет протекания тока через управляющий переход в течение всего периода питающего напряжения.

Этот способ управления тиристором используется только при питании усилителя переменным током рис.34.1,б и находит весьма ограниченное применение из-за отмеченных недостатков.

Фазовый метод управления основан на изменении фазы управляющего сигнала относительно фазы питающего анодную цепь тиристора переменного напряжения. Этот метод можно подразделить на амплитудно-фазовый, при котором на управляющий электрод тиристора подается синусоидальное напряжение, фаза которого изменяется относительно фазы питающего (анодного) напряжения, и фазоимпульсный рис.34.1,в, когда тиристор открывается импульсом тока с регулируемой фазой. При первом способе управления процессы открытия тиристора полностью аналогичны процессам, происходящим при амплитудном управлении, но при этом диапазон регулирования существенно расширяется. Более рациональным является фазоимпульсное управление, обеспечивающее наилучшие энергетические характеристики тиристорных усилителей.

При этом способе управления в качестве управляющего сигнала используются импульсы, длительность которых, как правило, не превышает полупериода питающего напряжения. Учитывая, что время включения тиристора мало, для управления им используют обычно кратковременные импульсы длительностью от нескольких единиц до сотен микросекунд. Амплитуда управляющих импульсов тока должна превышать ток управления спрямления I_У.С.

Изменяя фазу управляющих импульсов в пределах 0<α<π, регулируют напряжение в нагрузке от максимального значения до нуля. При этом методе управления полностью исключается влияние разброса входных параметров тиристора, температуры окружающей среды и p-n переходов, а также формы питающего напряжения на характеристики вход-выход усилителя. К достоинствам фазового метода управления следует отнести также малые потери в управляющем переходе тиристора благодаря кратковременности управляющего импульса. Этот метод получил наибольшее распространение в тиристорных усилителях любой мощности.

Широтно-импульсное управление тиристором основано на изменении соотношения между длительностью открытого и закрытого состояния тиристоров (на изменении скважности) рис.34.1,г. Оно применяется в тиристорных усилителях с выходом как на переменном, так и на постоянном токе. В обоих случаях изменяется соотношение между числом полупериодов питающего напряжения, приложенных к нагрузке через открытый тиристор, и числом полупериодов, приложенных к закрытому тиристору. Управляющие сигналы Uу могут вырабатываться в виде прямоугольных импульсов с переменной скважностью или в виде серии (пачек) кратковременных Uу.имп c переменной скважностью, подаваемых в начале полупериодов питающего напряжения. Этот метод управления может использоваться при построении тиристорных усилителей любой мощности. При этом наиболее эффективно использовать его при питании усилителей от сети постоянного тока.

К существенным недостаткам широтно-импульсного метода управления следует отнести значительно меньшее быстродействие усилителя, чем в случае применения фазового метода управления тиристором, в связи с тем, что время чистого запаздывания при широтно-импульсном управлении составляет несколько периодов питающего напряжения.

При фазовом методе управление тиристором желательно осуществлять с помощью импульсного сигнала малой длительности, несколько превышающей время включения тиристора. Требуемый диапазон изменения фазы управляющего импульса в зависимости от типа усилителя мощности может лежать в приделах от долей полупериода до периода питающего напряжения. При построении многофазных усилителей должна обеспечиваться также максимально возможная симметрия управляющих импульсов во избежание появления в нагрузке постоянной составляющей тока, которая нарушает нормальный режим работы устройства.

При формировании управляющего сигнала необходимо обеспечить достаточно крутой передний фронт импульса, что уменьшает потери в тиристоре при включении, а также повышает симметрию управляющих импульсов.

Фазовый метод управления может быть реализован несколькими способами.

Вертикальный способ управления рис.34.2 основан на сравнении переменного (опорного) и постоянного напряжения сигнала управления. При равенстве мгновенных значений этих напряжений вырабатывается импульс, который усиливается и подается на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня сигнала управления постоянного тока.

Рисунок 34.2. Вертикальный способ управления тиристорами: а- структурная схема устройства; б- графики изменения сигналов

Опорное напряжение, например, пилообразной формы вырабатывается генератором переменного напряжения ГПН рис.34.2,а и синхронизируется с напряжением сети с помощью синхронизирующего устройства СУ, подается на устройство сравнения УС, на которое одновременно подается и управляющее напряжение с предварительного усилителя ПУ. Сигнал устройства сравнения поступает на формирователь импульсов ФИ, а затем виде мощного регулируемого по фазе импульса подается на управляющий электрод тиристора. Функции отдельных устройств могут быть совмещены.

Управление тиристорами с помощью импульсных трансформаторов рис 34.3 основано на изменении момента перемагничивания насыщающегося трансформатора при одновременном воздействии на него переменного и постоянного тока. В отличие от ранее рассмотренного способа управления здесь сравнение опорного и управляющего сигналов производится по ампервиткам переменного и постоянного тока, намагничивающего импульсный трансформатор ИТ рис.34.3,б При равенстве намагничивающих сил IcW₁ и IуW₃ в момент θ=ά сердечник трансформатора ИТ перемагничивается и на обмотке W₂ возникает импульс напряжения Uит.

Напряжение на ИТ рис.34.3,а подается от генератора переменного тока ГПТ и предварительного усилителя ПУ. Как и в предыдущем случае, полученный сигнал подается на формирователь импульсов ФИ, в качестве которого может использоваться ждущий блокинг-генератор, маломощный тиристорный усилитель и т.п.

При горизонтальном управлении управляющий импульс формируется в момент перехода синусоидального напряжения через ноль, а изменение его фазы обеспечивается изменением фазы синусоидального напряжения, то есть смещением этого напряжения по горизонтали. Оно не нашло широкого распространения.

Поскольку для управления тиристорами требуется предварительное усиление, то в динамическом отношении тиристорный усилитель может быть представлен в виде произведения передаточных функций трех типовых звеньев – входного усилителя, тиристорного преобразователя и нагрузки:

Рисунок 34.3. – Управление с помощью импульсных трансформаторов: а – структурная схема устройства; б – схема импульсного трансформатора; в – графики изменения сигналов

Передаточная функция тиристорного преобразователя может быть представлена в виде передаточной функции звена с чистым запаздыванием.