Тиристоры. Регуляторы мощности и управляемые выпрямители на тиристорах

В открытом состоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) и оказывает им малое сопротивление. В этом его преимущество. Применяя тиристоры, следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в момент открывания может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики эти броски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.

Зарядка конденсатора через открывшийся тиристор может вывести последний из строя. Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включают дроссель.

2.3. Управляемый выпрямитель на тиристоре

В выпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или при нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента.

В управляемый выпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подводят от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол a относительно выпрямляемого напряжения (рис. 2.1.3).

Через тиристор VS1, включающийся в момент, соответствующий wt =a на выход выпрямителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки e21. При wt=p напряжение e21 становится отрицательным, однако тиристор запереться не может, так как это привело бы к обрыву тока, проходящего через дроссель L. Индуктивность дросселя L выбирают большей критической, чем и поддерживают непрерывный ток. Поэтому в те моменты, когда e21 отрицательно, на дросселе L наводится ЭДС самоиндукции с полярностью и значением, обеспечивающими напряжение на катоде, меньше e21.

При wt=p+a открывается тиристор VS2, через который на выход передается напряжение e22, являющееся на данном этапе положительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 оказавшись обесточенным и смещенным в обратном направлении, запирается и т. д. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя e0 создается лишь теми частями напряжений вторичных полуобмоток E21 и E22, которые соответствуют открытому состоянию тиристоров.

Рис.2.1.4. Схема регулировки выпрямления напряжения.

Напряжение на нагрузке, получающееся почти равным постоянной составляющей напряжения e0, подводимого к фильтру LС, растет при уменьшении угла a и спадает при его увеличении. Регулировка выпрямленного напряжения, достигаемая изменением фазы управляющих импульсов, не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемом выпрямителе, что является основным его преимуществом.

Схемы выпрямления с тиристорами такие же, как обычных выпрямителей. Основное внимание далее уделяется двухфазным схемам выпрямителей.

Для простоты полагаем падение напряжения на открытом тиристоре много меньшим (рис. 2.1.4.) выпрямленного напряжения, а токи утечки (прямой ток при закрытом тиристоре и обратный ток при отрицательном напряжении) – малыми по сравнению с током нагрузки. Это позволит считать тиристор идеальным (прямое падение напряжения в режиме насыщения, прямой и обратный токи утечки, а также ток отключения в нем равны нулю). Такие упрощения не приведут к большой погрешности, так как ток через вентиль схемы определяется сопротивлением нагрузки, а не фазы. По этой же причине можем считать идеальными дроссель L и трансформатор, т. е. пренебречь индуктивностью рассеяния и активными сопротивлениями их обмоток.

(2.1.1)

(3.5)

Сначала рассмотрим одну первую фазу регулируемого выпрямителя (рис. 2.1.4). Нагрузку выпрямителя полагаем состоящей из дросселя L и конденсатора С, образующих фильтр, и активной нагрузки R, а выходное напряжение - постоянным и равным е0. Исходя из графика

(рис. 2.1.3) запишем

(2.1.1)

Здесь принято, что в силу идеальности трансформатора и вентиля напряжение e0 совпадает с ЭДС первой фазы трансформатора e21 в интервале

a<wt<p+a: (2.1.2)

e0=e21 (2.1.3.)

Падение напряжения на дросселе L равно разности напряжений e21 и E0, и, следовательно, его ток

(2.1.4)

(2.1.5)

Постоянную интегрирования определим из условия баланса постоянных токов. Среднее значение тока iL на интервале α¸p+a должно быть равно току нагрузки. Подставив найденное таким образом значение C, получим

Выпрямленное напряжение получается, если тиристор каждой из фаз открыт до тех пор, пока не вступит в работу следующая фаза. Однако это верно лишь в том случае, когда ток дросселя к моменту открывания вентиля следующей фазы положителен и напряжение, получаемое в момент включения с включающейся фазы, больше напряжения на конденсаторе. Последнее условие выполняется при α> 32,5°, что обеспечивает рост тока дросселя сразу после включения тиристора.

(2.1.6)

Подставив в wt=p+a запишем это условие в виде

(2.1.7)

Так как е0 определяется выражением, условие непрерывности тока в дросселе можно записать иначе:

(2.1.8)

Оно и должно выполняться для углов a> 32,5°. Если индуктивность дросселя L- меньше Lкр, где

(2.1.9)

или сопротивление нагрузки выпрямителя больше Rmax где

то ток в дросселе станет равным нулю раньше, чем откроется тиристор второй фазы. Как только ток станет равным нулю, тиристор обесточится и выключится. Такой режим не очень выгоден, так как связан с большими переменными составляющими токов тиристоров и обмоток трансформатора. Поэтому чаще всего индуктивность дросселя L выбирают такой, чтобы при максимально возможном сопротивлении нагрузки удовлетворялось условие непрерывности тока.

(2.1.10)

В режиме непрерывного тока дросселя ток фазы приближается по форме к прямоугольной (рис. 2.1.5,а,б ). Его действующее значение без учета пульсаций

Действующее значение тока первичной обмотки, в которую трансформируются, не перекрываясь во времени, токи двух фаз, получается в раз больше, чем ток nlr, т. е.

(2.1.11)

Рис. 2.1.5. Ток дросселя.

По форме ток первичной обмотки в каждый из полупериодов повторяет ток фазы, равный току iL (рис. 2.1.5, в). Первая гармоника этого тока при малых пульсациях сдвинута на угол α. относительно напряжения на первичной обмотке.

Таким образом, при тиристорный выпрямитель потребляет от сети не только активный, но и реактивный ток. Это является недостатком такого выпрямителя.

Полный перепад пульсаций на выходном конденсаторе С найдем так же, как и при исследовании неуправляемого выпрямителя. В результате получим выражение:

(2.1.12)

Здесь коэффициент D(a) является функцией угла a.

Подводя итог, отметим следующие особенности схемы тиристорного регулируемого выпрямителя:

1)снижение выходного напряжения в тиристорном выпрямителе достигается благодаря уменьшению отбора мощности от сети переменного тока; оно не связано с гашением значительной ее части в выпрямителе;

2)при регулировке выпрямитель потребляет не только активную, но и реактивную мощностью сети переменного тока;

3)при изменении угла регулирования a от 0 до 0,5p выходное напряжение меняется от максимума до 0;

4)пульсация выпрямленного напряжения заметно возрастает с ростом угла регулирования;

(2.1.13)

5)режим непрерывного тока в дросселе нарушается, если не соблюдается отношение.

Глава 3. Практические разработки регуляторов мощности на тиристорах

3.1. Регулятор напряжения на тиристоре КУ201К

Устройство, схема которого приведена на рисунке, можно использовать для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В. Напряжение на нагрузке можно менять от нуля до номинального напряжения сети.

Рис. 3.1.1. Принципиальная схема регулятора напряжения.

Тиристор VS1, включенный в диагональ моста, составленного из диодов VD1—VD4 играет роль управляемого ключа, который открывается при разряде конденсатора С1 через ограничительный резистор R2 и управляющий переход тиристора при включении переключающего диода VD 6. Напряжение, при котором тиристор включается, можно регулировать потенциометром R1. Вместо переключающего диода VD6 можно использовать стабилитрон, но в этом случае уменьшается диапазон регулировки напряжения на нагрузке.

3.2. Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах

На первых двух рисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 в (рис. 3.2.1) и от 0,5 до 15 в (рис. 3.2.2).

В течение одного полупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катода напряжение.

Рис. 3.2.1. Принципиальная схема выпрямителя №1.

Пока на управляющий электрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска, тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольный угол задержки α между напряжениями на управляющем электроде и катоде прикладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание тока через тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярности напряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величины управляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинает работать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению к приложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания тока и приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленного тока (напряжения) нагрузки от максимума (α = 0) до нуля (α = π).
Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. Диоды Д3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время, когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широких пределов регулировки α (0 — π) применены RC - цепи.

В выпрямителе (рис.3.2.2) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и в отрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, что приводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, к уменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этого явления включен диод Д3.

Рис. 3.2.2. Принципиальная схема выпрямителя№2.

Тиристоры для выпрямителя (рис. 3.2.1) желательно выбирать с близким значением сопротивления участка управляющий электрод — катод. Если не удается подобрать одинаковые тиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительного сопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величины сопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток. Поочередно отключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя. Переменное сопротивление величиной 10 кОм. подключается параллельно управляющему электроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток. Изменяя величину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.

Учитывая разброс параметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 и R2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется как остаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение не приводит к увеличению тока нагрузки. Максимальная величина R1 ограничивается сопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю.
Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см (рис. 3.2.1), 250 кв.см - (рис. 3.2.2). Во всех вариантах использован трансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят провод марки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм. Данные вторичных обмоток: для варианта на рис.3.2.1 - число витков 2х60 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на рис.3.2.2 - число витков 2х64 проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.

Заключение

Применение тиристоров в таких устройствах, как регуляторы мощности и управляемые выпрямители, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора. А также делают эти устройства более надежными, компактными и экономичными в использовании. Снижается и себестоимость регулятора мощности, в результате отсутствия трансформатора с медной обмоткой.

Литература

1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И., "Микроэлектроника", М., "Высшая школа", 1987 г.

2. Алексеенко А. Г., Шагурин В. Я., "Микросхемотехника", М., "Радио и связь", М., "Радио и связь", 1982 г.

3. Коледов Л. А., "Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок", М., "Радио и связь", 1989 г.

4. Бакалов В.П. и д.р. Основы теории электрических цепей и электротехники: Учебник для вузов / В.П.Бакалов, А.Н.Игнатов, Б.И.Крук. –М.; Радио и связь, 1989. –528с.:ил.

5. Сизых Г.Н. Электропитающие устройства связи: Учебник для техникумов –М.: Радио и связь, 1982.- 288с., ил.

6. А. Старцев – Регулятор на тиристоре. Ж. Радио 7/68г.

7. И. Серяков, Ю. Ручкин – Мощный управляемый выпрямитель на тиристорах. Ж. Радио, 2/71г.

8. А. А. Каяцкас. Основы радиоэлектроники. – М.: Высшая школа, 1988. – 463с., ил.