2233

Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения с управлением его величиной, называют управляемыми выпрямителями. Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор.

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n- переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения (рис. 20).

При повышении напряжения Uпр ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения. При снижении величины прямого напряжения до нуля сопротивление тиристора в прямом направлении восстанавливается. Время восстанавливания обычно составляет 10 30 мкс. Напряжение включения Uвкл при котором тиристор открывается, можно снизить, если через управляющий электрод пропустить незначительный ток.

Рис. 20. Вольт амперная характеристика тиристора

Величина этого тока (тока управления Iу.вкл) является важным параметром тиристора. Этот ток обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние. В обратном направлении тиристор всегда закрыт. Обратное напряжение не должно превышать допустимого значения Uобр.max во избежание пробоя.

В настоящее время выпускаются тиристоры, у которых восстановление высокого сопротивления в прямом направлении происходит при подаче небольшого обратного напряжения на управляющий электрод. Современные тиристоры выпускаются на токи до 2000А и напряжения включения до 4000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными способностями, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, конверторах, коммутационной аппаратуре.

20

Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

Простейший однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель показан на рис. 21. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к изменению момента переключения тиристора в открытое состояние. Это осуществляется за счет сдвига по фазе между колебаниями анодного напряжения и напряжения, подаваемого на управляющий электрод тиристора.

.

Рис. 21. Схема простейшего однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя

Этот сдвиг, измеряемый в угловых единицах, называется углом управления и обозначается α. Такой способ управления называют фазо-

вым.

Управление величиной α осуществляют с помощью фазовращательной R2C-цепочки, которая позволяет изменять α от 0 до 900. При этом выпрямляемое напряжение можно изменять от наибольшего значения до его половины.

Оптимальной формой управляющего сигнала для тиристора является кратковременный импульс с крутым передним фронтом. Это позволяет уменьшить нагрев управляющего электрода и обеспечить за счет высокой крутизны импульса четкое отпирание тиристора. Для создания импульсов существуют фазоимпульсные блоки управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в требуемых пределах.

На рис. 22, а, б, в приведены временные диаграммы входного (а), управляющего (б) и выпрямленного (в) напряжений. Среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением

1

Uн.ср 2 U 2sin tdt.

21

а

б

в

Рис. 22. Временные диаграммы напряжений управляемого однофазного однополупериодного выпрямителя: а входного, б управляющего, в выпрямленного

Для изменения угла управления от 0 до 180о используют мостовой фазовращатель, схема которого изображена на рис. 23 .

Рис. 23. Мостовой фазовращатель

Из векторной диаграммы (рис. 24) видно, что выходное напряжение меняет свою фазу при изменении сопротивления R, оставаясь неизменным по величине.

22

Рис. 24. Векторная диаграмма мостового фазовращателя

Однофазный управляемый двухполупериодный(мостовой) выпрямитель

При использовании однофазного двухполупериодного выпрямителя (рис. 25) на выходе получают две положительных полуволны выпрямленного напряжения за каждый период (рис. 26).

Рис. 25. Схема однофазного двухполупериодного (мостового) выпрямителя

Рис. 26. Временные диаграммы напряжений однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

23

В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением

где U – действующее значение напряжения , подводимого к выпрямителю; Uн.о значение выпрямленного напряжения при α = 0

Зависимость Uн.α = ƒ(α) называется характеристикой управления вы-

прямителя. Эта зависимость представлена на рис. 27.

Рис. 27. Характеристика управления однофазного двухполупериодного выпрямителя

Внешние характеристики управляемого выпрямителя при фиксированных значениях угла α имеют тот же характер, что и характеристика неуправляемого выпрямителя (рис. 28).

Трехфазный управляемый однопериодный выпрямитель

На рис. 29 и 30 представлены схема и временные диаграммы выпрямленного напряжения такого выпрямителя при различных значениях угла управления .

Рис.28. Семейство внешних характеристик управляемого выпрямителя при фиксированных значениях угла управления

24

Рис. 29. Схема трехфазного однополупериодного управляемого выпрямителя

а

б

в

Рис. 30. Схема и временные диаграммы выпрямленного напряжения при различных значениях угла управления трехфазного однополупериодного управляемого выпрямителя

Совершенно очевидно, что при изменении α от 0 до π/6 (рис. 30, а) никакого изменения напряжения не будет. Поэтому за начало отсчета α

25

принимают значение фазы колебаний напряжений π/6. Если α отсчитывать от этого значения, то значение фазы колебаний равно π/6+ α.

При изменении угла управления от 0 до π/6, а фазы колебаний от

π/6 до кривая выпрямленного напряжения не имеет разрыва, и каждый

3

тиристор открыт в течение Т/3 = 2π/3 (рис. 30, б).

Среднее значение выпрямленного напряжения для угла 0< α < π/6 определяется выражением

где Uно – среднее значение выпрямленного напряжения при α = 0.

Если α > π/6, то в выпрямленном напряжении появляются паузы (см. рис. 29). Теперь среднее значение выпрямленного напряжения

Из этих уравнений можно построить характеристику управления этого выпрямителя (рис. 31). При α = 150о напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рис. 31. Характеристика управления трехфазного управляемого однополупериодного выпрямителя

Трехфазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

Схема и временные диаграммы напряжений приведены на рис. 32 и рис. 33, а, б. Из них видно, что за начало счета α необходимо принять зна-

26

чение фазы линейного напряжения, равное π/3. Если α будет меньше этого значения, регулирования не происходит. При значении угла управления α значение фазы колебаний напряжения равно π/3 + α. Так же, как и в неуправляемом выпрямителе, здесь одновременно работают два тиристора. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на радиан сигнал, поступающий на тиристор анодной группы. В этом режиме может оказаться, что один из двух открывающихся тиристоров не сможет открыться и тока в нагрузочном резисторе не будет. Во избежание этого управляющие импульсы должны иметь длительность, соответствующую углу π/3, или два коротких с интервалом π/3.

Рис. 32. Схема трехфазного двухполупериодного (мостового) управляемого выпрямителя

Среднее значение выпрямленного напряжения при α < π/3 определяется известной формулой

Uн.ср. Uн.о cos .

Для режима α > π/3, когда в выпрямленном напряжении появляются паузы,

Внешние характеристики этого выпрямителя при различных α, так же, как и у однополупериодного трехфазного, практически параллельны между собой (см. рис. 28.). В отличие от трехфазного управляемого однополупериодного выпрямителя режим прерывистого тока наступает при угле управления

.

3

27

а

б

Рис. 33. Временные диаграммы выпрямленного напряжения при различных α

28

Контрольные вопросы по однофазным и трехфазным выпрямителям

1.На выходе выпрямителя без сглаживающего фильтра получается напряжение:

1)постоянное;

2)пульсирующее;

3)переменное.

2.Емкостной сглаживающий фильтр работает более эффективно:

1)на холостом ходу;

2)при малых нагрузках:

3)при больших нагрузках.

3.Индуктивный фильтр работает более эффективно:

1)на холостом ходу;

2)при малых нагрузках;

3)чем больше нагрузка, тем выше эффективность индуктивного фильтра.

4.К однофазному однополупериодному выпрямителю без фильтра подведено переменное напряжение 20 В. На выходе выпрямителя появится выпрямленное напряжение:

5. К однофазному однополупериодному выпрямителю с С-фильтром подведено переменное напряжение 20 В. На холостом ходу на выходе выпрямителя возникает напряжение:

6. К однофазному однополупериодному выпрямителю с L-фильтром подведено переменное напряжение 20 В. На выходе выпрямителя появится

7. К однофазному двухполупериодному выпрямителю без фильтров подведено переменноенапряжение20В. На выходепоявится выпрямленноенапряжение:

8. К однофазному двухполупериодному выпрямителю с С-фильтром подведено переменное напряжение 20 В. На холостом ходу на выходе выпря-

9. К однофазному двухполупериодному выпрямителю с L-фильтром подведено переменное напряжение 20 В. На выходе выпрямителя появится напряжение:

29