Управляемые выпрямители на тиристорах

При эксплуатации выпрямительных устройств часто приходится сталкиваться с необходимостью изменения (регулировки) значения выпрямленного напряжения. Изменение выпрямленного напряжения может осуществляться как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока.

Регулирование выпрямленного напряжения с помощью управляемых полупроводниковых вентилей-тиристоров применяется в настоящее время весьма широко. Регулирование выпрямленного напряжения тиристорами осуществляется изменением угла открытия его (его называют также «углом отпирания» и «углом управления»). Управление тиристором может быть амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым. Ниже рассматриваются схемы, соответствующие фазовому способу регулирования.

Однополупериодный однофазный управляемый выпрямитель (рисунок 19). Силовой трансформатор схемы имеет вторичные обмотки: основную w₂, которая служит для питания схемы выпрямителя, и управляющую обмотку wу, благодаря которой создается напряжение управления U_У, подаваемее на управляющий электрод тиристора. Угол сдвига по фазе между анодным напряжением U₂ и управляющим напряжением или угол открытия определяется фазорегулятором схемы R₁L, где L —дроссель насыщения. Изменяя индуктивность дросселя подмагничивающим током, можно регулировать угол открытия .

 

Рисунок 19 - Однополупериодная однофазная схема выпрямления на тиристоре (а), диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

 

Отпирание тиристора происходит в тот момент, когда управляющее напряжение U_У становится положительным (рисунок 19,б график U_У); запирание тиристора происходит при появлении отрицательного потенциала в аноде тиристopa (отрицательный полупериод напряжения U₂), резистор R₂ ограничивает значение тока управления.

В управляемом выпрямителе, собранном по мостовой схеме (рисунок 20,а), вторичная обмотка трансформ управления Т_у выполняется с выводом точки 3, от которой управляющее напряжение подается на тиристор VS_1. На тиристор VS₂ управляющее напряжение подается с регулятора RP, С (с точки 4). Фазовое регулирование, т. е. изменение угла открытия , осуществляется в схеме (рисунок 20, а) переменным резистором RР. Диоды VD₂ и VD₄ замыкают цепи управления тиристоров.

Рисунок 20 - Мостовая однофазная схема выпрямления на тиристорах (а) регулировочные характеристики (б) (U_0Х — выпрямленное напряжение холостого хода)

 

Схема управления тиристорами работает следующим образом.

При положительном полупериоде напряжения U_У ток управления идет по цепи: точка 3, резистор R₁, тиристор VS₁, диод VD₄, резистор RP, точка 1.

При отрицательном полупериоде напряжения U_У ток управления идет по цепи: точка 1, резистор RP, peзистор R₂ тиристор VS₂, диод VD₃, точка 3. Выпрямленный ток протекает в один полупериод напряжения U₂ через VS₁ и VD₂, во второй полупериод напряжения U₂ — через VS₂ и VD₂, причем диоды VD₁, VD₂ работают, как в известной мостовой однофазной схеме выпрямления.

Диод VD₅, включенный в обратном направлении, устанавливается на входе фильтра (обычно фильтра LC), поскольку при запирании тиристора он замыкает цепь нагрузки в целях реализации ЭДС самоиндукции дросселя, результате чего уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения и повышается cos . В маломощных регулируемых выпрямителях VD₅ (нулевой диод) можно не применять.

Трансформаторы схемы Т, Т_У обычно совмещаются подобно схеме на рисунке 19, а.

Как видно из регулировочных характеристик для одно-, и двухполупериодной схемы выпрямления (рисунок 20,б, кривые 1 и 2), угол открытия может изменяется в пределах от 20—30 до 150—160°. Такой разброс в пределах регулирования объясняется тем, что при синусоидальной форме напряжения сети у тиристоров имеет место большой разброс по времени открытия их. Для уменьшения указанного разброса и расширения пределов регулирования необходимо подавать на управляющий электрод тиристора импульсы с крутым фронтом. Для этой цели применяют быстродействующие магнитные усилители или генераторы импульсов на транзисторах.

В схеме двухполупериодного управляемого выпрямителя (рисунок 21, а) тиристоры управляются прямоугольными импульсами, которые вырабатываются с помощью вспомогательных диодов VD₁ и VD₂, подключенных, как и основные вентили — тиристоры VS₁ и VS₂, к вторичной обмотке силового трансформатора. Таким образом, в данной схеме (рисунок 21, а) существуют две функциональные схемы: схема двухполупериодного выпрямителя на тиристоpax VS₁ и VS₂, и схема управления углом открытия тиристор , с помощью которой осуществляется фазовое регулирование выпрямленного напряжения; эта схема выполняется на диодах VD₁ и VD₂, однопереходном транзисторе, VТ₂ на резисторах и конденсаторе схемы.

Рисунок 21 - Двухполупериодная схема выпрямления на тиристорах (а), диаграммы напряжения и тока в ее цепях (б)

Работа схемы управления углом открытия может быть пояснена следующим образом. При подключении се­тевого напряжения V₁ на выходе диодов VD₁ и VD₂ появит­ся выпрямленное напряжение u_ab, форма которого являет­ся огибающей положительных полусинусоид напряжения u₂ (рисунок 21,б). С помощью стабилитрона VD₃ и балласт­ного резистора R₁ это напряжение преобразуется в им­пульсы прямоугольной формы положительной полярности U_СТ. Эти импульсы поступают через резистор R₄ на базу Б₂, а также через переменный резистор R₆ на эмиттер однопереходного транзистора VT₃, на котором собран релак­сационный генератор схемы. Поступающие на эмиттер им­пульсы заряжают при этом конденсатор С до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения, равного Uэ.max (рисунок 21,б, график u_C), причем крутизна экспонен­ты напряжения Uc при заряде и время заряда конденса­тора С зависят от постоянной времени =R₆ С. Когда на­пряжение на конденсаторе u_C достигнет значения Uэ.max, транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжа­ется через транзистор и резистор R₅, поскольку R₅ <R₆.

При разряде конденсатора напряжение на нем уменьшается до u_C =U_min, при котором транзистор запирается; конденсатор С после появления следующего прямоугольного импульса снова начинает заряжаться и т.д. В цепи базы Б₁ транзистора на резисторе Rз создаются положительные импульсы малой длительности (рисунок 21,б, график Uу), которые являются управляющими для тиристоров; резисторы R₂, Rз позволяют подобрать необходимый ток управления.

Как видно из графиков, момент появления управляю­щих импульсов определяется моментом времени t₁, при котором Uc = U_Э.max, а момент t₁, в свою очередь, зави­сит от постоянной заряда конденсатора =R₆ С Значит, изменяя сопротивление R₆, можно сдвигать во времени момент появления управляющего импульса U_У, т.е. изме­нять угол отпирания и время работы тиристоров, регу­лируя таким образом значение тока i₀ в нагрузке (рисунок 21,б). При этом следует сказать, что увеличение R₆ при­водит к увеличению угла отпирания, вызывая уменьшение напряжения U₀ и тока Iо в нагрузке выпрямителя R_H.

Применение тиристоров существенно повышает экономичность схем выпрямителей и значительно уменьшает инерционность систем регулирования.

Недостатки управляемых выпрямителей на тиристорах сводятся к следующим: сложность схем управления, подверженность влиянию температуры, резкое увеличение коэффициента пульсации напряжения на нагрузке.

Контрольные вопросы

1. Как влияет включение емкости на основные параметры выпрямителя: на выпрямленное напряжение, коэффициент пульсации, ток выпрямительного диода, обратное напряжение на нем, габаритную мощность трансформатора?

2. Что такое угол отсечки? При каких видах нагрузки имеет место режим отсечки?

3. От каких параметров нагрузки и каким образом зависит значение угла отсечки?

4. Как зависит степень пульсации выпрямленного напряжения в схемах с емкостной нагрузкой от уменьшения сопротивления нагрузки при C=const; от увеличения емкости С (при R_H=const)?

5. Почему габаритная мощность трансформатора в схеме, работающей на емкостную нагрузку, превышает таковую в схеме, работающей на встречную ЭДС?

6. В чем состоит принцип работы управляемых выпрямителей на тиристорах? Поясните работу однополупериодного выпрямителя на ти­ристоре.

7. Поясните работу управляемого мостового выпрямителя.

8. Поясните работу управляемого двухполупериодного выпрямителя.

9. Поясните работу управляемого выпрямителя, регулирование напряжения в котором осуществляется на стороне переменного тока.

10. Какими достоинствами и недостатками обладают управляемые выпрямители на тиристорах

 

Расчет выпрямителей

В результате расчета выпрямителя должны быть определены параметры и тип дио­дов и параметры трансформатора.