158 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Управляемый однофазный выпрямитель на тиристорах

Однофазные выпрямители — схемы и принцип действия

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования входною переменного напряжения в постоянное. Основным блоком выпрямителя является вен пильный комплект, который непосредственно выполняет преобразования переменного напряжения в постоянное.

При необходимости согласования параметров сети с параметрами нагрузки, выпрямительный комплект подключается к сети через согласующий трансформатор. По числу фаз питающей сети выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Подробнее смотрите здесь — Классификация полупроводниковых выпрямителей. В этой статье рассмотрим работу однофазных выпрямителей.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Простейшей схемой выпрямителя является однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 1).

Рис. 1. Схема однофазного управляемого однополупериодного выпрямителя

Диаграммы работы выпрямителя на R- нагрузку показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Диаграммы работы выпрямителя на R-нагрузку

Для того, чтобы открыть тиристор, необходимо выполнение двух условий:

1) потенциал анода должен быть выше потенциала катода;

2) на управляющий электрод должен быть подан открывающий импульс.

Для данной схемы одновременное выполнение этих условий возможно лишь в положительные полупериоды питающего напряжения. Система импульсно-фазового управления ( СИФУ ) должна формировать открывающие импульсы лишь в положительные п олунериоды питающего напряжения.

При подаче на тиристор VS1 открывающего импульса в момент времени θ = α тиристор VS1 открывается и к нагрузке прикладывается напряжение питания U 1 в течение оставшейся части положительного полупериода (прямое падение напряжения на вентиле Δ U в пренебрежимо мало по сравнению с напряжением U 1 ( Δ U в = 1 — 2 В )). Поскольку нагрузка R — активная, то ток в нагрузке повторяет форму напряжения.

В конце положительного полупериода ток нагрузки i и вентиля VS1 уменьшатся до нуля ( θ = n π) , а напряжение U 1 изменит свой знак. Таким образом, к тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, под действием которого он закрывается и восстанавливает свои управляющие свойства.

Такая коммутация вентиля под действием напряжения источника питания, периодически изменяющего свою полярность, называется естественной .

Из диаграмм видно, что изменение а приводит к изменению части положительного полупериода, в течение которого напряжение питания приложено к нагрузке, и, следовательно, это приводит к регулированию потребляемой мощности. Угол α характеризует задержку момента открывания тиристора по отношению к моменту его естественного открывания и называется углом открывания (управления) вентиля .

ЭДС выпрямителя и ток представляют собой следующие друг за другом отрезки положительных полусинусоид, постоянных по направлению, но непостоянных по величине, т.е. выпрямленные ЭДС и ток имеют периодический пульсирующий характер. А каждую периодическую функцию можно разложить в ряд Фурье:

где Е — постоянная составляющая выпрямленной ЭДС, en( t ) — переменная составляющая, равная сумме всех гармонических составляющих.

Таким образом, можно считать, что к нагрузке приложено постоянная ЭДС искаженная переменной составляющей en(t). Постоянная составляющая ЭДС Е является основной характеристикой выпрямленной ЭДС.

Процесс регулирования напряжения на нагрузке путем изменения называется фазовым регулированием . Данная схема имеет ряд недостатков:

1) высокое содержание высших гармонических в выпрямленной ЭДС;

2) большие пульсации ЭДС и тока;

3) прерывистый режим работы схемы;

4) низкий коэффициент использования схемы по напряжению ( k схе =0,45).

Режимом прерывистого тока работы выпрямителя называется такой режим, при котором ток в цепи нагрузки выпрямителя прерывается, т.е. становится равным нулю.

Однофазный однонополупериодный выпрямитель при работе на активно-индуктивную нагрузку

Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку представлены на рис. 3.

Рис. 3. Диаграммы работы однополупериодного выпрямителя на RL-нагрузку

Для анализа процессов, протекающих в схеме, выделим три интервала времени.

3. π 5R, где ωп — круговая частота пульсаций на выходе выпрямителя. При выполнении данного условия ошибка в расчётах незначительна и может не приниматься во внимание.

Временные диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку представлены на рис. 9.

Рис. 9. Диаграммы работы однофазного мостового выпрямителя при работе на RL-нагрузку

Для рассмотрения процессов, протекающих в схеме, выделим три участка работы.

1. α . Схема замещения, соответствующая этому интервалу, приведена на рис. 10.

На рассматриваемом интервале энергия из сети преобразуется в тепловую в сопротивлении R, а часть накапливается в электромагнитном поле индуктивности.

Управляемые выпрямители на тиристорах

При эксплуатации выпрямителей бывает необходимо плавно изменять (регулировать) значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществлять как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока [591.

В настоящее время для регулирования выпрямленного напряжения применяют тиристоры. Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор четырехслойной структуры, образующей три р-п перехода. Он имеет три вывода: анод А, катод К и управляющий электрод У. Принцип его действия упрощенно можно пояснить так. При подаче на тиристор прямого напряжения — плюс на анод, минус на катод — тиристор закрыт, и ток через него не протекает. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое осуществляется подачей на управляющий электрод У положительного потенциала, под действием которого тиристор открывается и через него протекает прямой ток. Открытие тиристора происходит очень быстро (15—20 мкс), что обусловливает появление во внешней цепи большого тока. Для его ограничения последовательно с тиристором обычно включается катушка индуктивности. Запирающие свойства тиристора восстанавливаются лишь после уменьшения прямого тока до нуля на время, достаточное для рассасывания носителей зарядов в области среднего р-п перехода. Поэтому тиристор является вентилем, в котором управляется только момент его включения.

Управление тиристором может быть амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым.

Однополупериодный однофазный управляемый выпрямитель

(рис. 13.9). В этой схеме силовой трансформатор имеет две вторичные обмотки: основную которая служит для питания схемы выпрямителя, и управляющую м>2, с которой снимается напряжение управления «у, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Для установления требуемого момента отпирания тиристора, т. е. угла открытия ат, в схеме имеется фазорегулятор ЯЬ, где Ь — дроссель насыщения. Изменяя индуктивность дросселя подмагничивающим током, регулируется угол открытия ат, т. е. угол сдвига по фазе между анодным и2 и управляющим иу напряжением.

Рис. 13.9. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристорах

В тот момент, когда управляющее напряжение доказывается положительным, тиристор отпирается. Запирание тиристора происходит в момент появления отрицательного потенциала «2 на аноде тиристора. Резистор Я2 ограничивает значение тока управления.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 13.10, а.

Вторичная обмотка трансформатора имеет вывод от средней точки. Аноды тиристоров подключены к крайним выводам вторичной обмотки, а катоды соединены вместе и служат положительным полюсом выпрямленного напряжения. Нагрузка Яи подключена к катодам тиристоров и средней точке вторичной обмотки трансформатора. На управляющие электроды подаются управляющие импульсы напряжения иу и иу2, формируемые системой управления синхронно с напряжением сети. Система управления позволяет осуществлять изменение фазы управляющих импульсов относительно фазных напряжений ы’2 и и»2 вторичной обмотки трансформатора.

Тиристоры работают поочередно. Открывается тот тиристор, на аноде которого действует положительное напряжение и на управляющий электрод подан отпирающий импульс напряжения (момент /] на рис. 13.10, б). Так, во время первого полупериода (/0Ь) положительное напряжение сети на аноде первого тиристора во время второго полупериода — на аноде второго тиристора УЯ2. Отпирающие импульсы напряжения иу[ и иу2 подаются от системы управления с некоторой задержкой на угол ат относительно начал положительных напряжений и2 и и»2.

Рис. 13.10. Однофазный однополупе-риодный выпрямитель на тиристорах: а— схема электрическая; 6— эпюры напряжений и токов

В момент /і открывается тиристор напряжение ?/0 на нагрузке Ян скачком возрастает, а затем изменяется по кривой фазного напряжения и2. В момент /2 напряжение и2 спадает до нуля, и тиристор КУі закрывается. В момент /3 открывается тиристор К?2 и остается открытым до момента ґ4, когда напряжение на его аноде уменьшится до нуля. В интервале времени /2 — ґ3 оба тиристора закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю. И так процесс повторяется. Системой управления можно изменять угол управления, время начала работы каждого тиристора, а следовательно, и среднее выпрямленное напряжение и0 и ток /0. При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока повторяет форму кривой выпрямленного напряжения ?/о-

В выпрямителях на тиристорах можно плавно регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах.

Однофазная мостовая схема выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 13.11. Здесь управляющее напряжение подается на тиристор от средней точки / вторичной обмотки трансформа

тора 7Уу. На второй тиристор ^управляющее напряжение подается с фазосдвигающей цепочки Я2С (точки 2). Изменение угла открытия ат осуществляется переменным резистором Я3. Диоды VI)з и ИО4 замыкают цепи управления тиристоров.

Процессы в схеме происходят следующим образом. В положительный полупериод управляющего напряжения иу ток управления проходит по цепи: точка /, резистор Я, тиристор УЯ, диод У04, резистор /?3, точка 3. Тиристор открывается, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через К$і, нагрузку Ян, диод У И

В отрицательный полупериод управляющего напряжения ток управления проходит по цепи: точка 3, резистор Я3, резистор Я2, тиристор К$2, диод УОз, точка /. Открывается тиристор У32, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через УЯ2, нагрузку Яи, диод К/)2. Обмотки трансформаторов ТУ и 7Уу обычно совмещаются на одном сердечнике.

Угол открытия ат изменяется в пределах от 20 до 160°. Такой разброс в пределах регулирования является следствием того, что при синусоидальном напряжении тиристоры имеют большой разброс по времени открывания. Уменьшение разброса регулирования можно осуществить, подавая на управляющий электрод импульсы с крутым передним фронтом. Для этого применяют транзисторные генераторы импульсов.

Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя приведена на рис. 13.12. Регулировка выходного напряжения в трехфазных схемах осуществляется так же, как и в однофазных. Тиристоры открываются управляющими импульсами, а запираются при поступлении на их аноды отрицательного напряжения.

Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель

Схема управления тиристором

Схема управления не запираемого тиристора представлена на рис. 15.3.

Рис. 15.3. Схема управления тиристором

Назначение элементов схемы. Импульсный трансформатор Т служит для гальванической развязки схемы, формирующей импульс управления, от силовой цепи, в которой установлен тиристор VS. Диод VD предназначен для защиты управляющего электрода тиристора от отрицательного выброса напряжения, который образуется на вторичной обмотке импульсного трансформатора Т по срезу импульса управления. Резистор Rогр = 10…100 Ом применяется для выравнивания величины тока управления, так как входное сопротивление управляющего электрода тиристоров сильно различается даже в одной партии. Если этот резистор не установлен, то у тиристоров с низким входным сопротивлением может произойти перегрев и даже выгорание управляющего электрода. Резистор Rш устанавливается для защиты от помех, наводимых на провода схемы управления, которые могут вызвать открывание тиристора без подачи управляющего импульса.

Если в схеме выпрямителя заменить диоды на тиристоры, можно получить схему управляемого выпрямителя, выпрямленное напряжение на выходе которого можно регулировать, изменяя угол управления тиристором. В главе 3 рассмотрены схемы однофазных выпрямителей на диодах. Любую из этих схем можно превратить в управляемый выпрямитель. Чтобы выяснить, как влияет на характеристики выпрямителя применение тиристоров вместо диодов, рассмотрим однофазный однополупериодный выпрямитель на тиристоре (рис. 15.4). Схема управления тиристором СУ применена такая же, как на рис. 15.3. Для анализа физических процессов в регулируемом однофазном однополупериодном выпрямителе рассмотрим его временную диаграмму работы (рис. 15.5).

Рис. 15.4. Регулируемый однофазный однополупериодный выпрямитель

На втором графике временной диаграммы изображены импульсы управления тиристором с различным углом управления a, который отсчитывается от момента перехода синусоиды напряжения U2 через ось времени.

При a = 0 тиристор открывается при минимальном напряжении на аноде (практически как диод), поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение времени, равном длительности положительной полуволны синусоиды.

При a = 45 0 тиристор открывается с задержкой на ¼ длительности полуволны синусоиды, поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение ¾ длительности полуволны синусоиды.

При a = 90 0 тиристор открывается с задержкой на ½ длительности полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку поступает также в течение ½ длительности полуволны синусоиды.

При a = 180 0 тиристор закрыт всё время действия положительной полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку не поступает.

Следовательно, с увеличением a действующее напряжение в нагрузке будет уменьшаться. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от угла регулирования Ud = f(a) называется регулировочной характеристикой. Она описывается выражением

, (15.1)

где Ud0(a = 0) – напряжение холостого хода выпрямителя при a = 0 (как если бы в схеме выпрямителя применялись диоды). В данной схеме Ud0(a = 0) = 0,45×U2.

На пятом графике временной диаграммы изображено напряжение, действующее на тиристор. При a = 0 к тиристору приложено только обратное напряжение Ub.max, которое достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и зависит от схемы выпрямителя (см. лекцию 3). Для рассматриваемого выпрямителя

. (15.2)

При a > 0 к тиристору, кроме обратного напряжения Ub.max, прикладывается прямое напряжение Ua,, которое можно определить по формуле

. (15.3)

Максимальной амплитуды Ua.max = U2m прямое напряжение достигает при a = 90 0 . Для нормальной работы схемы должно выполняться условие Ua.max

188.64.173.24 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

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, 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 подаваемое 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 .

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 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

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector