Управляемый выпрямитель на тиристорах

Управляемый выпрямитель на тиристорах сводится к управлению моментом включения прибора. Наиболее распространенный способ управления тиристорами – импульсно-фазовый. При таком способе управления на управляющий электрод тиристора периодически подаются импульсы напряжения U_y, открывающие тиристор. Они могут сдвигаться во времени по отношению к моменту появления положительной полуволны напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр.1 (рис.74) и тем самым влиять на момент включения тиристора. На рис.3 показана положительная полуволна этого напряжения- кривая U(t) и управляющий импульс напряжения U_y. Угол α называется углом управления. Начиная с момента времени t=α и до конца положительной полуволны напряжения тиристор находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивление включенного тиристора и, следовательно, напряжение на аноде (коллекторе) практически равны нулю. На рис.75 пунктиром (- - -) показана кривая напряжения на коллекторе тиристора в течение положительной полуволны напряжения U, а напряжение на нагрузке R_н обозначено штрих-пунктирной линией (  ).

Рис. 74 Схема управляемого выпрямителя Рис. 75 График напряжений на

на тиристорах нагрузке, коллекторе и

управляющем электроде

При α=0 тиристор открыт в течение положительной полуволны напряжения, его сопротивление мало. При α=180 тиристор закрыт, его сопротивление велико.

На рис.76а показано напряжение на нагрузке U_н двухполупериодного выпрямителя при α=0, на рис.76б – при α=π/2.

а) б)

Рис.76 Напряжение на нагрузке при α=0 (а) и α=π/2 (б)

К управляющим импульсам предъявляются следующие требования:

1) амплитуда и длительность управляющих импульсов тока I_ymax должны быть достаточными для надежного открывания тиристоров, но амплитуда тока не должна превышать допустимого значения I_yдоп;

2) крутизна управляющих импульсов напряжения должна быть высокой, чтобы открывались тиристоры практически мгновенно.

Исходя из этих требований проектируется устройство (блок) импульсно-фазового управления. На рис.77 изображена схема управляемого двухполупериодного выпрямителя (с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) с импульсно-фазовым управлением.

а) б)

Рис. 77 Электрическая принципиальная схема управляемого выпрямителя (а), круговая векторная диаграмма (б)

В цепь управления выпрямителя напряжение подается от мостового фазовращателя, состоящего из трансформатора с выводом средней точки вторичной обмотки, конденсатора С и переменного резистора R. при изменении величины сопротивления R, как видно из круговой векторной диаграммы (рис.77б), угол сдвига фазы выходного напряжения моста U_dc по отношению к входному напряжению U_ab может изменяться от 0 до 180. При этом величина напряжения U_dc остается неизменной.

Напряжение U_dc поступает на входы транзисторов VT1 и VT2 в виде напряжения Uвх₁ и Uвх₂, открывая один транзистор и закрывая другой. выходные напряжения, снимаемые с коллекторов транзисторов, Uk₁ и Uk₂ (рис.78д,е)содержат переменные составляющие Uk₁₂ и Uk₂₂ трапецеидальной формы (рис.78ж,з) , так как на входы транзисторов подаются напряжения значительной величины. Затем трапецеидальные напряжения дифференцируются (рис.78 и, к) с помощью цепочек R₁C₁ и R₂C₂ и в виде прямоугольных импульсов Y_vs3, Y_vs4 (рис.78 л, м ) поступают на управляющие электроды тиристоров VS3 и VS4 ; отрицательные импульсы напряжения шунтируются диодами VD3 и VD4.

Таким образом , изменяя сопротивление R, влияют на величину угла α и на время прихода импульсов на управляющие электроды тиристоров.

Рис. 78 Графики напряжений

Характериограф

При выполнении данной лабораторной работы требуется снятие вольт-амперной характеристики тиристора. Для этого используется устройство, с помощью которого на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) получают вольт-амперную характеристику или семейство этих характеристик. Специ-

альное устройство, предназначенное для этой цели, называется характериографом. В данном случае в качестве характериографа применяется осциллограф С1-68 и специальная приставка (рис.79а).

а) б)

Рис.79 Схема подключения тиристора к характериографу (а), ВАХ тиристора (б)

На рис. 79а изображена схема подключения тиристора к характериографу для снятия семейства вольт-амперных характеристик I_a=f(U_a) при I_y1, I_y2,… .

Для наблюдения на экране ЭЛТ вольт-амперных характеристик тиристора необходимо, чтобы:

1) горизонтальное смещение луча ЭЛТ было пропорционально анодному напряжению U_a тиристора;

2) вертикальное смещение луча ЭЛТ- величине анодного тока.

С этой целью тиристор включается в схему однополупериодного выпрямления с диодом VD1; анодное напряжение подается на гнездо «X» осциллографа (горизонтальное отклонение) с помощью проводника. Резистором R₂ регулируют величины анодного тока и напряжения. Резистор R₃ ограничивает величину анодного тока при полностью выведенном резисторе R₂. Для получения напряжения, пропорционального анодному току тиристора, в анодную цепь включают резистор R₁. Создаваемое на нем напряжение подают с помощью кабеля на гнездо «) 1 м 50рF» осциллографа (вход усилителя вертикального отклонения луча). Сопротивления резистора R₁ должно быть небольшим, чтобы оно практически не влияло на величину анодного тока тиристора (R₁~100 Om).

При зарисовке осциллограмм с экрана осциллографа необходимо следить за тем, чтобы начало координат на экране ЭЛТ и на графике I_a=f(U_a) совпадали.

А. Масштаб по оси тока (ось У) определяют с помощью осциллографа. Для этого сначала подают на вход осциллографа «) 1 м 50рF» напряжение, снимаемое с резистора R₁, затем устанавливают ручку «Усиление» осциллографа в крайнее левое положение. Манипулируя переключатель «V/cм, mV/cм», устанавливают максимальный размер изображения по вертикали не менее 2 см. Затем с помощью ручек «» и «» осциллографа совмещают изображение сигнала с одним из делений шкалы на экране ЭЛТ и отсчитывают размер изображения по вертикали.

Масштаб напряжения по оси Y m_u равен произведению цифровой отметки, на которой стоит переключатель «V/cм, mV/cм», на отметку тумблера «10, 1».

Так, амплитуда напряжения на резисторе R₁, подаваемого на вход осциллографа, равна произведению масштаба m_U на размер y_max[см] изображения по оси у (рис. 79б):

U_mR1= m_U y_max..

Масштаб тока по оси у m_I равен :

m_I = m_U /R₁ [A/см].

Б. Масштаб напряжения по оси X можно определить так: измерить размер x_max (рис. 79б) у одной из полученных вольт-амперных характеристик тиристора. Затем подключить вход «) 1 м 50рF» осциллографа к гнездам « ) X» и «» характериографа; при этом положения переключателей осциллографа следующие:

Переключатель «X, 1, 0,2» на отметке «X1»;

Переключатель «Время/см» – на «2ms»;

Переключатель «V/cм, mV/cм» – на «1V/см»;

Тумблер «10, 1» - на «10».

Получить осциллограмму напряжения на тиристоре, не изменяя величину тока управления I_y (рис. 80):

Рис. 80 Напряжение на тиристоре

Найти величину U_max в вольтах :

U_max=l_max[см] ∙m_U[B/см],

здесь m_U=1[B/cм] ∙10=10[B/см]

Это напряжение соответствует абсциссе x_max (рис. 79б), следовательно, масштаб напряжения по оси X равен m_Ux=U_mобр/x_max [B/см].

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На испытательной панели лабораторной установки изображена схема (рис.79) для снятия вольт-амперной характеристики тиристора, называемая характериографом. Ручка управления «Рег.I_y» плавно изменяет величину тока управления Iy тиристора.

Осциллограф подключается к характериографу с помощью проводника и кабеля, которые соединяют одноименные гнезда и разъемы «) 1X» и «) 1 м 50рF» испытательной панели и осциллографа.

Кроме того, на панели показана схема управляемого выпрямителя на тиристорах (рис. 81) с блоком импульсно-фазового управления. С помощью переменного резистора R регулируется время поступления импульсов напряжения на управляющие электроды тиристоров. В управляемом выпрямителе установлены тиристоры типа КУ-101Б с параметрами

I_пр.доп=75мА,

U_обр.max=50B, P_kmax=150мВт, I_yпр=15мА.

Рис. 81 Изображение на панели стенда управляемого выпрямителя

Внешний вид стенда изображен на рис. 82.

Рис.82 Передняя панель стенда

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1 Получить с помощью характериографа (рис. 79) несколько (2-3) вольт-амперных характеристик тиристора при различных произвольных величинах тока управления:

I_a=f(U_a) при I_y1=0, I_y2, I _y3>I _y2, … .

Для этого необходимо:

• Включить установку, замкнув ключ «Вкл» (на панели справа) ;

• Подключить к характериографу осциллограф С1-68:

а) гнезда «) 1 м 50Рf» и «» характериографа соединить кабелем с входом «) 1 м 50рF» осциллографа;

б) гнездо «X» характериографа соединить проводом с гнездом “X” осциллографа;

в) переключатель «X, 1, 0,2» осциллографа поставить в положение «X» (крайнее левое положение);

г) переключатель «V/см, mV/см» установить на отметке «2 mV/см», а тумблер «10, 1» – на «10»;

д) включить осциллограф с помощью тумблера «Сеть».

• Установить ток управления I_y равным нулю (I_y=0) ; для этого следует установить ручку потенциометра R_рег в крайнее левое положение; зарисовать полученную кривую I_a=f(U_a);

• Установить небольшой величины ток управления I_y, для чего необходимо повернуть ручку потенциометра R_рег на небольшой угол (по часовой стрелке) и вновь зарисовать кривую I_a=f(U_a) и т.д.

2 В схеме управляемого выпрямителя (рис. 81)

А. Снять осциллограммы выпрямленного напряжения на нагрузке – сопротивления R_н – при различных значениях угла управления α;

Б. Получить опытным и расчетным путем характеристику управления

выпрямителя

U_oα=f(α),

где U_oα – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке;

α - угол управления.

Для выполнения пункта 2А задания следует:

• Подключить к выпрямителю нагрузку, замкнув ключ в ветви с резистором R_н;

• Подключить осциллограф к нагрузке Rн:

а) кабель на входе «)1 м 50рF» осциллографа подключить параллельно резистору Rн;

б) переключатель «X, 1, 0,2» осциллографа перевести в положение «1»;

в) переключатель «Время/см» в положении «2mS/см»;

г) переключатель «V/см, mV/см» в положении «2V/см»;

д) тумблер «10, 1» – в «10».

• Получить на экране осциллограммы напряжения на нагрузке при различных значениях угла α:

α=α_min, α=π/2, α=3/4π;

Регулирование величины угла α производится с помощью потенциометра R в схеме блока импульсно-фазового управления (ИФУ); в левом предельном положении ручки потенциометра R угол α минимален и равен α_min~0,4π, в правом предельном – максимален и равен ~ π.

• Осциллограммы напряжения на нагрузке нарисовать на миллиметровой бумаге, указав масштабы для напряжения m_u (положения ручки «V/см, mV/см» и тумблера «10, 1») и для времени m_t (положения переключателей «X, 1, 0,2» и «Время/см»): m_u [B/см], m_t [C/cм].

Определить амплитуду напряжения на нагрузке U_m по осциллограмме при α=α_min.

Для выполнения пункта 2Б задания необходимо измерить постоянную

составляющую напряжения на нагрузке при различных значениях угла α:

α=α_min – левое предельное положение ручки потенциометра R;

α=π/2, α=3/4π, α~π – правое предельное положение R.

Для этого следует:

- Установить по осциллографу заданный угол α, как указано в пункте выполнения задания 2А;

• Подключить вольтметр В3-41 параллельно резистору Rн, отключив осциллограф; вольтметр использовать для измерения постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке Rн:

а) вход вольтметра – гнезда «)» и «»;

б) переключатель диапазонов напряжений (верхняя шкала) «30»;

в) включить прибор тумблером «Сеть».

• Измерить постоянную составляющую напряжения на нагрузке при различных значениях угла α ; результаты измерений записать в таблице 1;

• Вычислить среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (рис. 81) (без учета потерь в элементах схемы) при указанных значениях угла α, пользуясь формулой

_.

Рис. 83

Величину U_m взять из опыта 2А по осциллограмме u(t), при α=α_min (рис. 83), результаты вычисления занести в таблицу 1;

• По данным таблицы 1 построить зависимости U_oα =f(α);

• Сравнить опытные и расчетные результаты.

Таблица 19

	min	/2	3/4	~	Примечание
Uoα					Опыт
Uoα					Расчет