Тема 6. Керовані випрямлячі

До керованих відносяться випрямлячі, в яких є можливість змінювати величину випрямленої напруги. Більш ефективним є метод регулювання з боку випрямленої напруги за рахунок використання тиристорів.

В керованих тиристорах є можливість затримувати час його від-кривання відносно початку додатного півперіода змінної напруги на аноді, як показано на рис.28.а і б.

З рис.28, б видно, що середнє значення випрямленої напруги з врахуванням кута залежить від кута зсуву фаз між додатним значенням змінної напруги на аноді тиристора і напругою ,яка подається на керуючий електрод.

а б

Рис.28. Принцип роботи керованого випрямляння: а – схема однопівперіодного

випрямляння; б – часові діаграми

.

Кут називається кутом керування або кутом затримки вмика-ння тиристора. За оптимальну форму сигналу керування прий-нято прямокутний або інший з прямим переднім фронтом імпульс такої тривалості, який забезпечував би чітке відкривання тиристора і мінімальний нагрів керуючого електрода. Пристрої, які формують сигнал керування , називаються системами імпульсно-фазового керування (СІФК).

а) б) в)

Рис.29. Нульова (а), місткова симетрична (б) і несиметрична (в) схеми керованого

випрямлення

Основним недоліком однофазних керованих випрямлячів є ду-же великий коефіцієнт пульсацій і навантаження однієї фази, тому більш ефективними є трифазні керовані випрямлячі, які забезпе-чують рівномірне навантаження струмом фаз мережі живлення, зменшення в десятки разів коефіцієнта пульсацій випрямленої нап-руги і струму, збільшення частоти пульсацій.

За схемою випрямлення трифазні керовані випрямлячі поділяю-ться на нульові (однотактні) і місткові (двотактні), а місткові поді-ляються на симетричні і несиметричні (рис.29).

Часові діаграми випрямлених напруг для нульової схеми випря-мляння і режиму холостого ходу при і показані на рис.30.

Рис.30. Часові діаграми випрямлених напруг

З рис.30 видно, що випрямлена напруга пульсує. Кількість пу-льсацій за період визначається кількістю фаз випрямляння і схемою з’єднання тиристорів. Для трифазної нульової схеми , для місткової симетричної , несиметричної р змінюється від до при збільшенні .

Середнє значення випрямленої напруги, рис.30, при і хо-лостому ході

де при .

Для простої нульової схеми випрямлення , для місткової , де – діюче значення фазної напруги вторинної обмотки трансформатора.

Рис.31. Часові діаграми напруг і струмів з врахуванням комутації тиристорів

При навантаженні керованого випрямляча виникають перехідні процеси, які обумовлені індуктивностями розсіювання вторинних обмоток трансформатора і індуктивністю мережі живле-ння. За першим законом комутації струм не може збільшитись мит-тєво в тиристорі, який відкривається, і зменшитись миттєво в тирис-торі, який повинен припинити проводити струм в зв’язку з відкри-ванням наступного.

Оскільки на час перехідного процесу попередній тиристор не закритий, а наступний відкритий, то протягом цього часу вторинні

обмотки трансформатора закорочені через тиристори, що обумов-лює зменшення (на заштриховану площу) випрямленої напруги (рис.31.) Цей проміжок часу характеризується кутом комутації .

Отже, зменшення випрямленої напруги за рахунок явища кому-тації пропорційне величині випрямленого струму та індуктивному опору кола (без врахування індуктивного опору навантаження)

.

Середнє значення випрямленої напруги при активно-індуктив-ному навантаженні буде зменшуватися не тільки за рахунок перехі-дних процесів, а і за рахунок спаду напруги на активному опорі вторинної обмотки трансформатора і активному опорі між ано-дом і катодом відкритого тиристора. Отже,

У випрямлячах невеликої потужності величинами і можна знехтувати. Тоді

Залежність випрямленої напруги від струму навантаження при сталому називається зовнішньою характеристикою керованого випрямляча. На характер залежності впливає перерв-ність струму в часі, що має місце, коли тривалість відкритого стану тиристора менше і в інтервалі струм на виході рівний нулю, (рис. 31). При виборі тиристорів для трифазних керованих випрямлячів необхідно знати, що найбільша пряма і зворотна напруги рівні лінійній .

Величина і фаза імпульсів керування тиристорами виробляється системою імпульсно-фазового керування (СІФК), яка забезпечує одержання потрібного кута в залежності від параметрів керуван-ня тиристорами і силової схеми випрямляча.

Джерелом одержання імпульсів керування є релаксаційні гене-ратори на кремнійових тріодах з одним переходом (ОПТ), кремнійо-ві односторонні (КОК) і двосторонні (КДК) ключі, двосторонні пе-ремикаючі діоди (ДПД) та інші ключові прилади.

Як приклад на рис. 32 наведена схема релаксаційного генератора на одноперехідному транзисторі.

Рис. 32. Схема релаксатора імпульсів керування

Принцип дії релаксатора наступний. З рис. 32,а і 32, б видно, що конденсатор через резистор заряджається від стабілізованого джерела живлення до тих пір, доки напруга на емітері не досягне напруги відкривання , при якій ОПТ відкривається і розряджається через опір переходу емітер – перша база і резистор , спад напруги на якому і є імпульсами керування , (рис. 32, б). Коли напруга на емітері досягне мінімального значення , емітер перестає проводити струм і процес повторюється. Період коливань визначається залежністю

де – параметр, який визначається внутрішньою структурою ОПТ і його значення знаходиться в межах Якщо прийняти то . Отже, зміною можна керувати періодом імпульсів керування, тобто кутом Якщо замість використати резистивний давач неелектричної величини або транзистор з керуванням опору переходу емітер-колектор вхідним сигналом бази, то можна отримати керування за зворотним зв’язком.

Широке застосування набули СІФК з вертикальним способом керування, в яких імпульси керування виробляються в момент зрівнення напруги, що лінійно змінюється та постійної напруги , якою задається величина кута , рис. 33, а. Одержані імпульси формуються, підсилюються і подаються на керуючий електрод тиристора, рис. 33, б.

рис. 33. Принцип вертикального керування:

– напруга генератора лінійної імпульсної напруги; – напруга керування кутом ; – компаратор; - пристрій формування імпульсу; - підсилювач імпульсів керування

В трифазних тиристорних схемах випрямляння необхідно пода-вати імпульси керування на всі тиристори. Існує два способи подачі імпульсів – із зсувом фаз і одночасний. При подачі імпульсів керу-вання із зсувом фаз в схемах випрямлення рис. 29, а і в, необхідно забезпечити зсув імпульсів керування на . Тоді кути керування будуть

Індекс при куті показує номер тиристора в схемі. Для схеми рис. 29, б потрібно 12 керуючих імпульсів, по два на кожний тирис-тор, зсунутих між собою на . Це обумовлено тим, що при випря-млянні від’ємної половини синусоїди наступної фази відкритий ти-ристор попередньої фази закривається і для повторного відкривання потрібен ще один імпульс, зсунутий за фазою на , адже в цей час закінчується випрямляння від’ємної половини синусоїди.

Керування кутом здійснюється двома способами – синхрон-ним і асинхронним. Суть синхронного способу керування в тому, що початок відліку кута керування починається від певної фази напруги живлення, тобто синхронізується з нею. При асинхронному керуванні регулювання інтервалів між імпульсами, які відкривають тиристори, і змінною напругою живлення здійснюється зворотним зв’язком за величиною випрямленої напруги чи струму навантаження .

В сучасних СІФК кут задається цифровим кодом, рис. 34.

Рис. 34. Структурна схема цифрової СІФК:

– задавальний пристрій; – регістр; – порівнювач кодів; – лічильник імпульсів; – генератор прямокутних імпульсів; – синхронізуючий пристрій; – пристрій формування імпульсів; – підсилювач імпульсів

Принцип роботи цифрової СІФК наступний. Цифровий код кута керування заноситься в регістр , з регістра код поступає в порівнювач кодів . При переході синусоїди на анод через нуль синхронізуючий пристрій вмикає генератор прямокутних імпульсів і лічильник імпульсів . При співпаданні цифрових кодів регістра і лічильника порівнювач кодів виробляє сигнал, який в формується в прямокутний імпульс, підсилюється і подається на керуючий електрод тиристора.