Тиристорные управляемые выпрямители и регуляторы мощности. Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель Выпрямительный тиристор

Управляемый тиристорный выпрямитель напряжения(тока) ТВН предназначен выпрямления трехфазного переменного напряжения сети и регулирования его действующего значения на нагрузке. Управляемый выпрямитель может применяться для управления двигателем постоянного тока, питания цепей возбуждении генераторов, ТЭНов и т.д. ООО “Звезда Электроника” имеет большой опыт проектирования и производства регулируемых выпрямителей. Наши изделия характеризуется высокой надежностью, стабильностью, развитой системой настроек, относительно небольшими массо-габаритными показателями и разумной ценой. На рисунке 1 представлена структурная схема выпрямителя. В его основе - шесть тиристоров, соединенных по схема трехфазного моста Ларионова и система импульсно-фазового управления(СИФУ). СИФУ реализует импульсно-фазовое управление тиристорами, благодаря которому регулируется выходное напряжение.

Рисунок 1 Структурная схема трехфазного регулируемого выпрямителя ТВН-3

Выходное напряжение выпрямителя имеет пульсирующий характер. Оно содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Переменная составляющая проявляется в виде высших гармоник, которыми вносятся нелинейные искажения в форму выходного напряжения. Формы выходного напряжения и тока в одной из фаз питающего напряжения приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Выходное напряжение управляемого выпрямителя(вверху) и ток в питающей фазе(внизу)

Это следует учитывать при выборе выпрямителя для питания конкретной нагрузки. Например, недопустимо использовать выпрямитель ТВН для питания радиоэлектронной аппаратуры, так как пульсации выходного напряжения ТВН могут привести к выходу ее из строя. По этой причине, ТВН применяется как правило, для питания "грубых" нагрузок - нагревательных элементов, обмоток электродвигателей и т.д.

На выходе выпрямителя установлен шунтирующий диод, препятствующий появлению отрицательного напряжения на нагрузке(на рисунке 1 не показан). Его анод подключен к "минусу", а катод - к "плюсу". Наличие такого диода бывает необходимо при работе на высокоиндуктивную нагрузку - обмотку электрической машины, железоотделителя и т.д.

Таблица 1 Технические характеристики ТВН-3 (стандартная комплектация)

Количество фаз
Номинальное напряжение сети, В	198-242, 342/418
Частота сети	50 Гц
Номинальный ток нагрузки	40, 80, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 А
Сглаживающий фильтр	Нет
Питание системы управления	220 В 50 Гц
Выходное напряжение	0..230 В, 0..460 В
Метод регулирования	Фазовый
Сигнал управления	0..10 В, 0..20 мА, 4..20 мА, внешний переменный резистор, встроенный переменный резистор, кнопки панели управления
Плавный пуск и выключение	0..25 сек с шагом 0,1 сек
Тип тиристорных модулей	Semikron, Ixys, Протон-Электротекс
Наличие кнопки аварийного отключения	Да
Индикация	Жидко-кристаллический индикатор 32-символьный, светодиоды
Дополнительные контакты	3 программируемых реле 220 В 5 А. Выходной сигнал: “Работа”, “Авария”, “Готовность”
Защита: короткое замыкание на выходе	Электронная защита
Защита: перегрузка длительным током	Электронная защита
Защита: перегрев тиристоров	Датчик температуры 80 С
Защита: потеря фазы или “слипание” фаз	Электронная
Перегрузочная способность	I=1,5 Iн - 10 сек, I=1,25 Iн - 30 сек, I=1,1 Iн - 1 мин
Порог срабатывания защиты от короткого замыкания	I = 3..3,5 Iн
Точность поддержания напряжения в режиме стабилизации напряжения	2% Uн
Время стабилизации напряжения при скачке напряжения сети или нагрузки на 10% в режиме стабилизации напряжения	2..3 сек
Точность поддержания тока в режиме стабилизации тока	2% Iн
Время стабилизации тока при скачке напряжения сети или нагрузки на 10% в режиме стабилизации тока	2..3 сек
Охлаждение	Принудительное встроенными вентиляторами
Ресурс вентилятора	50000 часов
Степень защищенности	IP20
Температура окружающей среды	0..40 С
Относительная влажность воздуха	0..90% без конденсата
Изоляция	Не менее 2,5 кВ между шасси, силовой цепью и управляющими цепями
Режим работы	Длительный, ПВ = 100%
Срок эксплуатации	Не менее 10 лет
Гарантия	12 месяцев

Таблица 2 Дополнительная комплектация управляемых тиристорных выпрямителей ТВН-3

Вводной автоматический выключатель	Коммутация силового напряжения, дублирование защиты от перегрузки и короткого замыкания
	Вывод данных о выходном токе в виде аналогового сигнала 0..10 В
	Подавление высших гармоник в питающей сети, защиты других потребителей от помех
Защита от перенапряжений по входу	Установка полупроводниковых ограничителей перенапряжений(ОПН) фаза-фаза и фаза-корпус
Поверенные приборы контроля напряжения, тока, мощности	Стрелочные или цифровые
Исполнение в напольном шкафу	Шкафы 1600х600х400, 1600х800х400, 1800х800х400 мм
Температурный диапазон -40..+40 С	Достигается за счет отказа от использования вентиляторов в пользу естественного охлаждения
Питание от сети 3х500 или 3х660 В	Питание нестандартным напряжением сети
Степень защиты IP00	Исполнение в виде монтажной панели для установки в электромонтажный шкаф
Степень защиты IP51 Усиление защиты от пыли	Достигается установкой дополнительных фильтров, которые требуют периодической замены или очистки
Степень защиты IP54, IP66 Уличное или морское исполнение	Панель управления с органами управления и дисплеем ”прячется” внутри шкафа. Охлаждение - естественное, температурный диапазон -40..+40 С
Розетка 230 В с заземлением	Для подключения дополнительных приборов. Может быть внутри шкафа или снаружи
Освещение внутри шкафа	Для обслуживания в плохо освещаемых местах
Антиконденсатный обогреватель	Подогрев внутри шкафа при низких температурах и высокой влажности
Пульт дистанционного управления	Для дистанционного управления, кабель в комплекте. Длина кабеля по согласованию, максимальная длина - 50 метров
Трансформатор	Гальваническая развязка от сети
Услуга "Срочный заказ"	Экспресс изготовление в течение 2-3 рабочих дней

Широкое применение тиристоров при регулировании напря­жения объясняется следующими их преимуществами по сравне­нию с рассмотренными ранее схемами:

Большая экономичность вследствие малого падения напряжения в проводящем состоянии (около 2 В);

Высокая скорость регулирования, позволяющая обеспечить стабилизацию выпрямленного напряжения и осуществить защиту выпрямителя от перегрузок и коротких замыканий;

Меньшая необходимая мощность управления;

Меньшие габаритные размеры и масса.

Управляемые вентили - тиристоры - могут находиться в двух крайних состояниях (рис. 122, а): открытом (участок ВС) и …
закры­том (участок 0А). Момент включения тиристора можно регулиро­вать, подавая управляющий импульс тока на р-п -переход, приле­гающий к катоду (рис. 122, б). Ток нагрузки, проходя через от крытый тиристор, смещает все три

Рис. 122. Вольтамперная характеристика тиристора (а), его структура, (б) и условное графическое обозначение (в): Iу - ток управления; А - анод; К - катод: УЭ - управляющий электрод/

Рис. 123. Структурная схема управляемого выпрямителя (и), принципи­альная схема простейшего РВБ (б) и диаграммы напряжений на его входе и выходе (в)

eго р-п -перехода в прямом направлении, и управляющий электрод (УЭ) теряет влияние на процессы, происходящие в тиристоре. При падении прямого тока до нуля после рассасывания заряда неосновных носителей в базо­вых областях тиристор запирается и его управляющие свойства восстанавливаются. Условное графическое обозначение тиристо­ра приведено на рис. 122, в.

На рис. 123,а приведена структурная схема управляемого вы­прямителя на управляемых вентилях.

Принципиальным отличием схемы управляемого выпрямите­ля (УВ) от неуправляемого является наличие в ней регулируемого вентильного блока (РВБ) и устройства управления (УУ), регули­рующего напряжение сети. Простейшая схема РВБ на одном ти­ристоре VS приведена на рис. 123, б. Следует напомнить, что для включения тиристора необходимо выполнение следующих усло­вий: напряжение на его аноде должно быть положительным, но меньшеU ПР.ВКЛ. , а к управляющему электроду (УЭ) должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпи­рающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения U 2 , а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подводится отпирающий (уп­равляющий) положительный импульс напряжения U y .

В момент прихода управляющего импульса, соответствующего углу отпирания а, тиристор теряет управляющие свойства, поэто­му, когда напряжение на аноде станет равным нулю, произойдет его выключение. Форма напряжения на резистивной нагрузке R H без фильтра показана на рис. 123, в. Момент включения тиристора

Можно регулировать в пределах положительной полуволны вы­ходного напряжения U 2 трансформатора, т.е. в диапазоне 0 ≤α≤π. При этом если тиристор включается при α = 0, то среднее выпрямленное напряжение нагрузки U Н.С.В. =0. Такой способ уп­равления тиристором называется фазоимпульсным.

В рассмотренной схеме управляемого выпрямителя пульсации напряжения нагрузки довольно большие, поэтому для их умень­шения необходимо включить сглаживающий фильтр. Следует от­метить, что в тиристорных управляемых выпрямителях использу­ют фильтры, начинающиеся с дросселя, так как при подключе­нии сразу емкостного фильтра заряд конденсатора через открыв­шийся тиристор может сопровождаться большим током, который может вывести тиристор из строя.

Рассмотрим работу схемы двухфазного управляемого выпря­мителя (рис.124, а) с индуктивно-емкостным фильтром. В этой схеме возможны два режима работы: без блокировочного диода (VD) и с блокировочным диодом. Различие этих режимов заклю­чается в способе выключения тиристоров.

Рис. 124. Схема двухфазного управляемого выпрямителя (а ), временные диаграммы напряжений на входе и выходе (б) и регулировочные кри­вые (в): 1 - без диода VD ; 2 - при наличии диода VD.

Работа выпрямителя без блокировочного диода происходит следующим образом. С поступлением управляющего импульса тиристор VS1 включается с углом отпирания α. На выход выпря­мителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки U’ 2 . При t ≥ п напряжение U’ 2 изменяет полярность на отрицатель­ную, но тиристор VS1 не закрывается, так как через него прохо­дит ток дросселя фильтра L ф, и напряжение самоиндукции обес­печивает его открытое состояние.

При t = α + п включается тиристор VS2, который передает на выход напряжение U" 2 второй фазы вторичной обмотки, В этом случае ток дросселя фильтра L ф переключается на вторую фазу, а тиристор VS1 закрывается. Напряжения на выходе выпрямителя U o и нагрузке U H показано на рис. 124, б (заштрихованные обла­сти).

При достаточно большом значении L ф = R H /ωугол включения тиристоров можно регулировать от нуля до π/2, как показано на рис. 124, в (кривая 1при L =∞).

Напряжение нагрузки растет с уменьшением угла α и умень­шается при его увеличении.

При работе выпрямителя с блокировочным диодом VD тири­сторы VS 1и VS 2выключаются, когда напряжение на его аноде становится равным нулю. При этом протекание тока в дросселе фильтра не прерывается из-за включения диода VD.

В результате часть периода от πдо π+ α ток в дросселе (а зна­чит, и в нагрузке) проходит через диод VD, и напряжение на вы­ходе выпрямителя не изменяет полярности, как показано на рис. 124, б.

Угол α отпирания тиристора в схеме с диодом VD можно ре­гулировать от нуля до π, как показано на рис. 124, в (кривая 2 при L = 0).

При одинаковом угле отпирания тиристоров в схеме без бло­кировочного диода напряжение на нагрузке меньше, чем в схеме с блокировочным диодом, так как в течение части периода повто­рения входного напряжения на его выход передается отрицатель­ное напряжение.

Мостовой управляемый выпрямитель. Мостовой выпрямитель можно построить с меньшим (чем четыре) числом тиристоров, так как для обеспечения управления достаточно включить в каж­дую из двух последовательных цепей, состоящих из двух диодов, один диод управляемый, а другой - неуправляемый (рис. 125, а), Применение двух управляемых диодов вместо четырех (см. рис. 124) позволяет упростить схему управления и удешевить стоимость вен­тильной группы.

Рассмотрим работу схемы мостового выпрямителя, в которой одновременно работают тиристор VS1 и вентиль VD2 или тирис­тор VS2 и вентиль VD 1. Временные диаграммы напряжений и то-

Рис. 125. Мостовая схема управляемого выпрямителя (а) и временные диаграммы напряжений и токов в этой схеме (б)

ков при работе такой схемы на индуктивную нагрузку показаны на рис. 125, 6.

В момент времени t 1на управляющий электрод тиристора VS 1подается импульс управления, открывающий его. В интервале вре­мени от t 1 до t 2ток протекает через тиристор VS 1и вентиль VD,. и напряжение на выходе выпрямителя повторяет входное напря­жение U 2. В момент времени t 3 напряжение U 2изменяет свою полярность, и вентиль VD 2запирается, а вентиль VD 1открывает­ся. Переключения тиристоров в этот момент времени произойти не может, так как на управляющий электрод тиристора VS2 не поступает импульс управления. В итоге в течение периода време­ни от t 2до t 3 открыты тиристор VS 1и вентиль VD2 и через них протекает ток нагрузки I 0 .

Выпрямленное напряжение U 0 в этом интервале времени рав­но нулю (так как выход выпрямителя закорочен), а ток нагрузки поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L. В мо­мент времени t 3за счет управляющего импульса открывается ти­ристор VS2, а тиристор VS 1 запирается, так как на него при этом подается обратное напряжение.

В интервале времени от t 3до t 4ток проводят и тиристор VS 2, и вентиль VD 1, а напряжение на выходе выпрямителя U 0 анало­гично входному напряжению U 2, но с противоположным зна­ком,

В момент времени U вновь происходит коммутация тока в группе неуправляемых вентилей: запирается вентиль VD1 и открывается вентиль VD2.

В интервале времени от t4 до t5 тиристор VS2 и вентиль VD1 открыты, напряжение на выходе выпрямителя U0 = 0, а ток на­грузки Iо поддерживается неизменным за счет энергии, запасен­ной в дросселе. В интервале времени от t5 до t6 процессы идентич­ны процессам в интервале от t1 до t2.

Как видно из рис. 125, б, временная диаграмма выпрямленного напряжения U0 в этой схеме такая же, как и в схеме выпрямителя с активной нагрузкой.

УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Вторичные источники питания часто снабжают устройствами электронной защиты (УЗ) от перегрузоки короткого замыкания. Такие устройства включают в себя следующие элементы: датчик контролируемой величины (тока, напряжения или температуры); пороговое устройство (ПУ) или схему сравнения; исполнительное устройство (ИУ). Чаще всего требуется защита источников пита­ния от перегрузки. В этом случае, когда значение тока превысит допустимое, включается пороговое устройство и приводит испол­нительный механизм в состояние отключения нагрузки.

Устройства зашиты выполняются с автоматическим повторным включением питании после некоторого времени или с ограниче­нием мощности, отдаваемой нагрузке.

Схема устройства защиты от перегрузок по току (и потребля­емой мощности) показана на рис. 126. Устройство работает следу­ющим образом. Напряжение с вторичной обмотки трансформато­ра тока ТА, используемого в качестве преобразователя тока, вып­рямляется диодом VD1 и сглаживается фильтром R 7, С1. Перемен­ный резистор R1 используется для регулировки порога срабатыва­ния. В качестве порогового устройства используется логический элемент DD1.1, выполненный по КМОП-технологии. Уровни сра­батывания таких элементов стабильны и близки к половине на­пряжения питания микросхемы. При повышенном токе нагрузки после срабатывания элемента DDL ] запускается ждущий мульти­вибратор на основе логических элементов DD1.2 и DD1.3 (одно-вибратор), который формирует отрицательное выходное напря­жение, отключающее (или запирающее) цепь питания нагрузки. Через некоторое время, определяемое временем разряда конден­сатора С2 через резистор R3, одновибратор переключается в ис­ходное (ждущее) состояние с формированием на выходе скачка положительного напряжения. Это напряжение соответствует сиг­налу включения питания нагрузки или восстановлению нормаль­ного рабочего состояния источника питания.

Рис. 126. Электрическая схема устройства защиты от перегрузок по току с автоматическим восстановлением рабочего состояния источника питания

Аналогично работают устройства защиты от повышения на­пряжения и температуры, т.е. при скачке температуры или напря­жения соответствующий сигнал подается на логический элемент DD1.1, который запускает одновибратор, отключающий питание на определенное время.

В заключение необходимо отметить, что выбор схемы вторично­го источника питания и параметров

ее элементов определяется уров­нем требований к коэффициенту стабилизации напряжения и мощ­ностью, необходимой для питания электронной аппаратуры. Для очень мощной аппаратуры (1… 100 кВт - звуковая аппаратура кон­цертных залов, радиостанции и т. п.), а также на транспортных сред­ствах с управляемым приводом требования к стабильности напряже­ния ниже. В них используются мощные выпрямительные установки для трехфазного напряжения с использованием тиристоров.

Внешние характеристики выпрямителей имеют вид падающей кривой (см. рис. 12.6), поэтому увеличение тока нагрузки вызывает снижение выходного напряжения. В то же время для питания многих устройств систем управления (электродвигателей, усилителей и т. д.) требуется поддержание выходного напряжения на заданном уровне независимо от значения тока нагрузки. Для этого используют управляемые (регулируемые) выпрямители с применением тиристоров, транзисторов и других управляющих приборов. Внешняя, характеристика таких выпрямителей показана на рис. 12.6 штрихпунктиром и близка к идеальной.

Сущность работы тиристорного управляемого выпрямителя рассмотрена на примере простейшей однополупериодной схемы (рис. 12.7, а). Схема управления тиристора VS обеспечивает изменение момента его включения, что способствует поддержанию на заданном уровне среднего значения напряжения на нагрузке, при различных значениях тока нагрузки. В случае активной нагрузки R н тиристор VS автоматически выключается в тот момент времени, когда его анодное напряжение приближается к нулю. Таким образом, при включающем тиристор сигнале, оцениваемом углом включения, прибор работает в режиме переключателя с временем включения

где Т - период колебания входного напряжения u(t).

Например, при α =0 время

и тиристор VS полностью открыт в течение положительных полуволн питающего напряжения.

что соответствует уменьшению времени t u 1 включения тиристора на 1/4, т.е. на 25%, и т.д.

Для пояснения механизма управления тиристорной схемой на рис. 12.7, б, в, г приведены временные диаграммы напряжений на нагрузке. При наименьшем угле включения тиристора α =0 (рис. 12.7, б) среднее напряжение на нагрузке имеет максимальное для однополупериодной схемы (рис. 12.7, а) значение, равное

Если в режиме минимальной нагрузки (R н велико, I н.ср мало) обеспечить, например, угол α =π/2 (рис. 12.7, г), а затем по мере повышения нагрузки уменьшать угол α (рис. 12.7, в), то можно получить неизменное значение U н.ср за счет компенсации возрастания значения ∆U ср [см. (12.11)]. Такой принцип управления тиристорным выпрямителем называют фазоимпульсным (вертикальным) и широко используют в тиристорных преобразователях различного назначения.

Рис. 12.7. Однополупериодный выпрямитель с тиристором: а - схема (УЭ - управляющий электрод); б, в, г - временные диаграммы выпрямленного напряжения при различных углах включения тиристора

Схемы управления тиристором должны генерировать управляющие импульсы в заданные моменты времени, соответствующие требуемым значениям угла. При этом для надежной работы тиристора необходимы кратковременные импульсы с большой крутизной переднего фронта. Устройство, обеспечивающее регулирование угла включения тиристора, называют фазовращателем. Фазовращатели легко получить, используя комбинацию трансформатора с R- и L-элементами. Однако из-за низкой крутизны формируемого ими управляющего сигнала они не находят применения в тиристорных схемах. Наиболее пригодны для указанных целей полупроводниковые фазовращатели со встроенными пик-генераторами на динисторах (диодных тиристорах).

Простейшая схема пик-генераторного управления тиристором VS1 приведена на рис. 12.8, а. Она состоит из динисторного автогенератора релаксационных колебаний (параллельно включенные конденсатор Су и динистор VS2), служащего одновременно и формирователем кратковременных импульсов управления тиристором VS1 благодаря использованию резистора R у в анодной цепи динистора VS2.

В момент положительных полуволн питающего напряжения u(t) начинается заряд конденсатора С у через регулировочный резистор R р. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение u C (t) на конденсаторе не достигнет значения U вкл, достаточного для переключения динистора VS2, т. е.

С этого момента t=t 1 (рис. 12.8, б) динистор переходит в режим насыщения (проводящее состояние), характеризующийся чрезвычайно низким значением его выходного сопротивления. В результате этого конденсатор С у разряжается через динистор VS2 и резистор R у, формируя кратковременный импульс тока i у (рис. 12.8, в) в управляющей цепи тиристора VS1. Окончание времени разряда обусловливается снижением напряжения на динисторе до значения U выкл, т. е. моментом времени t=t 2 (рис. 12.8, б). В этот момент происходит обратное переключение динистора в состояние отсечки. Конденсатор С у, вновь получает возможность заряжаться под действием следующей полуволны питающего схему напряжения u(t). При изменении сопротивления резистора R р (рис. 12.8, а) меняются параметры зарядной цепи (τ з =R р С у), а потому наблюдается сдвиг импульсов управления i у во времени (рис. 12.8, в). Это позволяет менять угол включения тиристора, обеспечивая таким образом фазоимпульсный способ управления выходным напряжением (см. рис. 12.7).

Рис. 12.8. Схема пик-генераторного управления тиристором (а); временные диаграммы напряжения на конденсаторе (б) и тока управления тиристором (в)

Рассмотренный принцип управления тиристором можно использовать как для однофазных, так и многофазных выпрямительных устройств.

В выпрямителях с трансформаторами на входе регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять тиристорами, включенными во входную цепь переменного тока, как показано на рис. 12.9. Такие схемы весьма перспективны для выпрямителей, использующих понижающие трансформаторы, поскольку при U 1 >>U 2 имеем I 1 <

Рис. 12.9. Схема двухполупериодного тиристорного управления выпрямителем

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, успешно конкурируя с выпрямителями на тиратронах вследствие ряда преимуществ тиристоров перед тиратронами.

Регулирование выпрямленного напряжения тиристором осуществляется изменение угла открытия его от (его называют также “углом отпирания” и “углом управления”), он аналогичен углу зажигания в тиратроне. Управление тиристором может быть амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым. Ниже рассматриваются схемы, соответствующие фазовому способу регулирования.

Однополупериодный однофазный управляемый выпрямитель (рис. 4.33). Силовой трансформатор схемы имеет две вторичные обмотки: основную w2, которая служит для питания схемы выпрямителя, и управляющую обмотку wу, благодаря которой создается напряжение управления Uу подаваемое на управляющий электрод тиристора. Угол сдвига по фазе между анодным напряжением U2 и управляющим напряжением Uу или угол открытия определяется фазорегулятором схемы R1L, где L — дроссель насыщения. Изменяя индуктивность дросселя подмагничивающим током, можно регулировать угол открытия.

Отпирание тиристора происходит в тот момент, когда управляющее напряжение U, становится положительным (рис. 4.33, б, график Uу); запирание тиристора происходит при появлении отрицательного потенциала в аноде тиристора (отрицательный полупериод напряжения (Л). Резистор R2 ограничивает значение тока управления.

В управляемом выпрямителе, собранном по мостовой схеме (рис. 4.34,а), вторичная обмотка трансформатора управления Tу выполняется с выводом точки 3, от которой управляющее напряжение подается на тиристор VS1. На тиристор VS2. управляющее напряжение подается с фазорегулятора RP, С (с точки 4). Фазовое регулирование, т.е. изменение угла открытия, осуществляется в схеме (рис.4.34, а) переменным резистором RP. Диоды VD3 и VD4 замыкают цепи управления тиристоров.

Схема управления тиристорами работает следующим образом.

Рис. 4.33. Однополупериодная однофазная схема выпрямления на тиристоре (а). Диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

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

При отрицательном полупериоде напряжения U, ток управления идет по цепи: точка 1, резистор RP, резистор R2 тиристор VS2, диод VD3, точка 3. Выпрямленный ток протекает в один полупериод напряжения U2 через VS1 и VD1, а 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, в результате чего уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения и повышается cosj. В маломощных регулируемых выпрямителях VD5 (нулевой диод) можно не применять.

Трансформаторы схемы Т, Ту обычно совмещаются подобно схеме на рис. 4.33,а.

Как видно из регулировочных характеристик для одной двухполупериодной схемы выпрямления (рис.4.34,6, кривые 1 и 2), угол открытия 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.

Рис. 4.34. Мостовая однофазная схема выпрямления на тиристорах (а) и регулировочные характеристики (б) (Uox — выпрямленное напряжение холостого хода)

В схеме двухполупериодного управляемого выпрямителя (рис. 4.35,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 (рис. 4.35,а) существуют две функциональные схемы: схема двухполупериодного выпрямителя на тиристорах VS1 и VS2, аналогичная известной однотипной схеме, и схема управления углом открытия тиристоров, с помощью которой осуществляется фазовое регулирование выпрямленного напряжения; эта схема выполняется на диодах VD1 и VD2, однопереходном транзисторе VT3, на резисторах и конденсаторе схемы.

Работа схемы управления углом открытия может быть пояснена следующим образом. При подключении сетевого напряжения U1 на. выходе диодов VD1 и VD2 появится выпрямленное напряжение uab, форма которого является огибающей положительных полусинусоид напряжения u2 (рис. 4.18,б). С помощью стабилитрона VD3 и балластного резистора R1 это напряжение преобразуется в импульсы прямоугольной формы положительной полярности Uст. 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 Uэmax (pис. 4.18, б, график ис), причем крутизна экспоненты напряжения Uc при заряде и время заряда конденсатора С зависят от постоянной времени тз=R6 С. Когда напряжение на конденсаторе ис достигнет значения Uэmax транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается через транзистор и резистор R5, поскольку R5<=R6.

При разряде конденсатора напряжение на нем уменьшается до uc=Umin, при котором транзистор запирается; конденсатор С после появления следующего прямоугольного импульса снова начинает заряжаться и т.д. В цепи базы Б1 транзистора на резисторе R5 создаются положительные импульсы малой длительности (рис. 4.35,б, график Uу), которые являются управляющими для тиристоров; резисторы R2, R3 позволяют подобрать необходимый ток управления.

Как видно из графиков, момент появления управляющих импульсов определяется моментом времени wc t1, при котором Uc =Uэmax, а момент wc t1, в свою очередь, зависит от постоянной заряда конденсатора тз=R6С. Значит, изменяя сопротивление R6, можно сдвигать во времени момент появления управляющего импульса Uу, т.е. изменять угол отпирания и время работы тиристоров, регулируя таким образом значение тока. iо в нагрузке (рис. 4.35, б). При этом следует сказать, что увеличение r6 приводит к увеличению угла отпирания, вызывая уменьшение напряжения Uo, и тока Iо в нагрузке выпрямителя Rн.

В многофазных управляемых выпрямителях весьма удобно применять тиристоры, поскольку остальные схемы регулирования громоздки и потребляют значительные мощности.

В трехфазной мостовой схеме управляемого выпрямителя (рис. 4.36), где схемы управления (запуска) показаны условно, выходное напряжение регулируется так же, как и в предыдущих схемах, т. е. тиристоры схемы VS1-VS3 открываются управляющими импульсами, а запираются при отрицательном потенциале анода. Нагрузку индуктивного характера в этой схеме необходимо шунтировать обратным диодом (аналогично схеме на рис. 4.34, а).

Регулирование на стороне переменного тока выполняется с помощью схем встречно-параллельного и встречно-последовательного включения тиристоров как при питании от однофазной сети (рис. 4.37), так и при питании от трехфазной сети (рис. 4.38,a). При встречно-параллельном включении тиристоров (рис. 4.37,a) каждый из них работает в соответствующую часть периода напряжения сети.

Рис. 4.35. Двухполупериодная схема выпрямления на тиристорах (а), диаграммы напряжения и тока в ее цепях (б)

При встречно-последовательном включении (рис. 4.37, б) каждый тиристор схемы шунтируется обычным диодом, причем тиристор VS1 и диод VD2 проводят ток в один полупериод, а тиристор VS2 и диод VD1 — в другой полупериод переменного напряжения. Запуск тиристоров в схемах рис. 4.37, а и б производится по схеме мостового однофазного выпрямителя (рис. 4.34, а).

Рис. 4.36. Упрощенная трехфазная мостовая схема на тиристорах

Рис. 4.37. Функциональные схемы однофазных выпрямителей с

встречно-параллельным (а) и встречно-последовательным (б) включением регулирующих тиристоров на стороне переменного тока.

Рис. 4.38. Функциональная схема трехфазного выпрямителя на тиристорах (а), схема управления тиристорами выпрямителя (б)

В трехфазных выпрямителях тиристоры включаются встречно-параллельно в каждую фазу первичной обмотки силового трансформатора (рис.4.38, а), схема управления СУ каждой парой тиристоров включается между соответствующей парой и нулевым проводом, причем необходимо предусмотреть возможность регулирования момента отпирания тиристоров во всех трех фазах.

Схема управления трехфазным выпрямителем с применением однопереходных транзисторов показана на рис.4.38,б сигнал управления в цепи эмиттеров транзисторов поступает от общего источника. Работа этой схемы аналогична работе схемы управления двухполупериодной схемой выпрямителя на тиристорах (рис. 4.35). Изменяя значение сопротивлений схемы, можно регулировать угол отпирания тиристоров схемы, а значит, и значение напряжения на нагрузке.

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

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

Взято с сайта http://telecommun.ru

Регулятор переменного напряжения на тиристорах.

Для регулирования переменного напряжения в нагрузке широкое применение получили тиристорные регуляторы. Простейшая схема такого регулятора приведена на рис. 5.17, а. Два тиристора VS1 и VS2 включены встречно-параллельно в цепь нагрузки Z H . Каждый тиристор работает на своём полупериоде (положительном или отрицательном). Причём открываются они с углом управления α (рис. 5.17, б), а закрываются в момент перехода тока нагрузки через нуль. Регулируя угол α, можно регулировать напряжение U H в широких пределах от U H max = U c до U H min = 0.

Рис. 5.17. Схема (а) и временные диаграммы (б) регулятора переменного напряжения

Однако такой способ регулирования сильно искажает форму кривой напряжения и изменяет фазу его первой гармоники.

Растёт группа потребителей энергии, которые нуждаются в регулируемом выходном

напряжении. Для питания таких потребителей применяют тиристорные выпрямители:

однофазные при малых токах потребления и трехфазные большой мощности.

На рис. 2.12, а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом

нулевой точки трансформатора. В качестве вентилей в выпрямителе использованы тиристоры VS1 и VS2.

При указанной на рис. 2.12, а полярности вторичного напряжения u2 трансформатора Tр тиристор VS1 может пропускать ток iн" при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления Iy1. Этот сигнал подают со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол α, называемый углом управления (рис. 2.12, б). Моментом естественного отпирания тиристора называют момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (при α = 0).

При включении тиристора при активной нагрузке Rн в момент времени ωt = α

напряжение на нагрузке uн возрастает скачком до значения uн" = u2" (при идеальном тиристоре и идеальном трансформаторе). При ωt = π ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор VS1 запирается. До отпирания тиристора VS2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку не передается. В момент ωt = π + α подается управляющий импульс на тиристор VS2, тиристор открывается, к нагрузке прикладывается напряжение uн"". Ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент ωt = 2 π происходит выключение тиристора VS2.

Среднее значение напряжения нагрузки

Уменьшение среднего напряжения Uср при увеличении угла α показано на рис.

2.12, в. Зависимость Uср(α) называют регулировочной характеристикой выпрямителя.

Задержка по фазе управляющих сигналов, подаваемых на тиристоры, осуществляется с помощью систем импульсного фазового управления.