4 курс (заочка) / Лекции / Лекция 4
.pdf
Из рассмотрения статических ВАХ видно, что тиристор можно привести в открытое состояние путем увеличения приложенного к нему прямого напряжения до критического значения U'вклт без воздействия на управляющий переход (Iу=0).
Тиристор может также перейти в открытое состояние и при меньшем значении напряжения, чем U'вклт если скорость его нарастания достаточно высока. Однако такое включение тиристора нежелательно, поэтому тиристоры нормально работают при входном синусоидальном напряжении, скорость нарастания которого не превышает нескольких десятков вольт за микросекунду.
Для тиристора различают параметры, относящиеся к цепи основного тока и цепи управления. Основная цепь тиристора, кроме параметров прямого тока,
аналогичных параметрам силовых полупроводниковых диодов, характеризуется напряжением включения Uвклт. током включения Iвклт. а также током удержания
Iудт, минимальное значение которого определяется режимом цепи управления. В
свою очередь, цепь управления (как р-п переход) характеризуется напряжениями и токами в прямом и обратном направлениях.
Общая мощность Рт, рассеиваемая тиристором, состоит из мощности потерь в прямом и обратном направлениях по основной цепи и на управляющем электроде:
Надежность тиристоров, как любого полупроводникового прибора,
обеспечивается выбором безопасных электрических и тепловых режимов работы.
Максимально допустимые токи по основной цепи определяются конструкцией тиристора. Нагрев тиристора зависит от падения напряжения и действующих
значений токов по основной цепи и управляющему электроду. Отношение
между максимальным значением постоянного тока в открытом состоянии и его средним значением должно учитываться при расчете режимов работы.
Максимально допустимое напряжение (прямое и обратное) ограничивается областью электрического пробоя тиристора, поэтому номинальное рабочее напряжение должно выбираться с запасом.
Для увеличения максимально допустимого обратного напряжения управляющий электрод тиристора соединяют через резистор с катодом или он должен находиться под отрицательным потенциалом по отношению к катоду. Для обеспечения надежной работы номинальное обратное напряжение на тиристоре не должно превышать (0,6— 0,7) X Uобрmaxт.
Прямое напряжение включения U'вклт (рис 4.4) является критическим напряжением, при котором тиристор, имеющий предельную температуру корпуса,
переходит в открытое состояние при отсутствии тока управляющего электрода.
Превышение этого напряжения может привести к разрушению структуры тиристора. Поэтому перевод тиристора из запертого состояния в проводящее не рекомендуется производить увеличением прилагаемого к нему напряжения при отсутствии тока управляющего электрода. Существенное влияние на устойчивость
ксамооткрыванию тиристора за счет увеличения напряжения Uвклт или скорости его нарастания dUвкл/dt оказывает также соединение управляющего электрода с катодом через резистор сопротивлением несколько сот Oм.
Качество и надежность работы тиристоров существенно зависят от режима работы цепи управления, входные ВАХ которой имеют большой разброс от образца
кобразцу одного и того же типа приборов. Кроме того, ток и напряжение управления (как и в любом полупроводниковом приборе) изменяются при изменении температуры перехода. Поэтому для каждого типа тиристоров существует граница минимальных значении напряжения отпирания Uу.отm и тока
Iу.отт, выше которых тиристор надежно включается в диапазоне изменения температуры от минимального до максимального значений.
В справочных данных обычно приводится максимально допустимая средняя
мощность управления Ру.ср.max.т. хотя тиристоры, как правило, управляются короткими импульсами и для цепи управления необходимо знать допустимую импульсную мощность Ру.итаxт, которая превышает среднее значение мощности.
Для прямоугольных управляющих импульсов
где Tпов—период повторения; tи.у—длительность импульса управления.
При синусоидальном управляющем импульсе.
Кривые допустимой мощности совместно с областью границы отпирании
Uу.отт, Iу.отт позволяют построить нагрузочные прямые и определить выходные параметры источника сигнала управления; рабочая точка при всех условиях эксплуатации должна находиться внутри области семейства входных ВАХ.
Tиристоры выпускаются на токи от сотен миллиампер до сотен ампер с обратным допустимым напряжением до 1000 В и более. Интервал рабочих температур: от —50 до +120°С. Срок службы тиристоров составляет не менее 5
тыс.ч.
Тиристоры широко применяются в управляемых выпрямителях, вытеснив управляемые ионные вентили (тиратроны), чему способствовали: меньшее падение напряжения в прямом направлении, меньшая инерционность тиристора, более высокий коэффициент усиления по мощности, более широкий диапазон рабочих температур, а также более высокие КПД, надежность и срок службы.
Основным недостатком тиристора является зависимость его параметров от температуры.
Для стабилизации параметров тиристоров при изменении температуры применяют радиаторы и другие способы охлаждения, аналогичные способам охлаждения диодов и транзисторов.
На практике нередко возникают ситуации, когда допустимое среднее значение
прямого тока диода оказывается недостаточным для обеспечения больших токов нагрузки; в этих случаях приходится применять параллельное соединение диодов.
Однако при параллельном включении диодов из-за несовпадения их ВАХ токи в диодах будут неодинаковыми (рис. 4.5,а). Для выравнивания токов при параллельном включении диодов в маломощных выпрямителях последовательно с ними устанавливаются резисторы с одинаковыми сопротивлениями, включение которых позволяет уменьшить разность токов в диодах (рис.4.5,а, б). Однако эти резисторы уменьшают КПД схемы, и поэтому применять их в мощных выпрямителях не рекомендуется.
Рис.4.5 Параллельное и последовательное соединения диодов
Если диоды включаются параллельно без уравнительных сопротивлений, то необходимо применить заведомо увеличенное число диодов, тем самым уменьшить ток в каждом из них, а значит, исключить опасность перегрузки.
В мощных выпрямителях вместо резисторов последовательно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы (дроссели с сердечниками L1, L2). На этих дросселях (рис. 4.5, в) при протекании тока создается
противо-ЭДС, пропорциональная этому току, что и приводит к выравниванию токов дросселей, а значит, и диодов.
Диоды одного типа можно соединить последовательно для увеличения обратного допустимого напряжения. Однако из-за несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные напряжения распределятся между диодами неравномерно. Для выравнивания обратных напряжений диоды малой и средней мощности необходимо шунтировать высокоомными резисторами (рис.4.5,г).
Если диоды включаются последовательно без шунтирующих резисторов, то необходимо заведомо увеличить число диодов при этом обратное напряжение на каждом из них снижается (не менее чем на 25 %) и исключается опасность перенапряжении.
В выпрямителях большой мощности этот способ выравнивания непригоден из-за значительных потерь в шунтирующих резисторах. Поэтому в этих случаях применяются шунтирующие RС-цепочки (рис. 4.5д), причем сопротивление шунтирующих резисторов равно 500—2000 Ом (меньшее значение соответствует более мощным диодам); включение конденсаторов позволяет снизить коммутационные перенапряжения. Иногда в качестве реактивных делителей включаются только шунтирующие конденсаторы.
Поскольку германиевые и кремниевые диоды чувствительны к токовым перегрузкам и перенапряжениям, то необходимо принимать специальные меры по защите этих диодов и всей системы электропитания. Кремниевые диоды с лавинными характеристиками выдерживают кратковременные перенапряжения, что упрощает их защиту.
4.4. Работа выпрямителя на активное сопротивление
Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от характера его
нагрузки, так как цепи переменного и постоянного тока электрически связаны между собой.
Случай идеальной активной нагрузки выпрямителя относительно редок и находит применение лишь для питания цепей, не требующих ограничения переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения (цепи сигнализации, контроля, защиты и т. д.). Схема многофазного выпрямителя,
нагруженного на активное сопротивление, изображена на рис. 4.6. Такой выпрямитель состоит из трансформатора, имеющего m-фазную систему вторичных обмоток (на схеме показан частный случай трехфазной обмотки), соединенных звездой, а свободные зажимы их подключены к анодам вентилей. Катоды всех вентилей соединены в общую точку, образуя положительный полюс на выходе выпрямителя. Отрицательным полюсом является средняя точка вторичных обмоток трансформатора. Если свободные зажимы вторичных обмоток трансформатора подключить к катодам вентилей, то изменится полярность выходного напряжения.
Однако этого не делают, так как однотактные схемы (схемы, в которых ток в обмотке трансформатора не меняет направления) находят применение в основном в ионных вентилях. При соединении катодов в общую точку можно ограничиться одним трансформатором накала, а в ртутных выпрямителях при любом числе анодов имеется один общий катод и, следовательно, схема с объединенными анодами невозможна.
Рис 4.6. Схема трехфазного выпрямителя, нагруженного на активное сопротивление.
Для упрощения будем считать вентили и трансформатор идеальными, т. е.
сопротивление вентиля в прямом направлении равно нулю, а в обратном — бесконечно велико и трансформатор не имеет активного и реактивного сопротивлении. При включении первичной обмотки в сеть переменного тока в фазах вторичных обмоток индуктируются э.д.с. uа, иb, uc, сдвинутые по фазе на
2 /m (в трехфазной схеме на 2 /3), что изображена на рис. 4.7,а. Выбрав произвольно момент времени t1, видим, что анод вентиля 1 (рис. 4.6) имеет наиболее высокий потенциал по отношению к катоду. Следовательно, вентиль 1
открыт и под действием э.д.с. ua будет протекать ток от точки а фазы вторичной обмотки, вентиль 1, сопротивление нагрузки rн к нулевой 0 точке вторичных обмоток трансформатора. Напряжение на нагрузке равно мгновенному значению э.д.с. uа. так как падение напряжения в идеальном выпрямителе (в трансформаторе и вентиле) равно нулю. В момент t1 в фазе с напряжение также положительно, но меньше, чем uа. Поэтому потенциал анода вентиля 3 ниже, чем потенциал его катода, и, следовательно, вентиль 3 будет закрыт.
Рис 4.7. Кривые изменения во времени. а - фазовых напряжений вторичных обмоток; б - выходного напряжения выпрямителя и тока нагрузки; в - тока в фазе вторичной обмотки трансформатора.
Таким образом, в течение части периода 2 /m э.д.с. в фазе а имеет наиболее
положительное значение и вентиль 1 остается открытым. Начиная с момента времени t2, наиболее положительное значение приобретает э.д.с. фазы un,
вследствие чего открывается вентиль 2 и вступает в работу фаза b. Начиная с момента t3 вступает в работу фаза с и т. д.
Напряжение на выходе выпрямителя u0 в любой момент равно мгновенному значению э. д. с. фазы вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и,
следовательно выпрямленное напряжение ио имеет вид кривой, огибающей напряжения всех фаз (рис. 4.7,б). Так как ток в нагрузке равен отношению выпрямленного напряжения к сопротивлению нагрузки, т. е. i0=ио/rн, то в ином масштабе кривая u0 представляет собой кривую тока io.
Таким образом, в идеальном выпрямителе, нагруженном на активное сопротивление, каждая фаза вторичной обмотки трансформатора работает один раз за период в течение части периода 2 /m, причем ток в работающей фазе равен току нагрузки. Кривая тока в фазе о вторичной обмотки (риc. 4.7.в) имеет форму прямоугольника с основанием 2 /m и ограниченного сверху отрезком синусоиды.
Токи в фазах б и с изобразятся подобными кривыми, сдвинутыми по фазе относительно кривой тока фазы а на 2 /m и 2*2 /m соответственно.
Выбрав начало отсчета времени в момент, соответствующий амплитуде напряжения в фазе вторичной обмотки Uмакс (рис. 4.8), выпрямленное напряжение и0
в интервале wt =± !m определим следующим выражением:
Постоянная составляющая (среднее значение) выпрямленного напряжения
Рис 4.8. Кривая выпрямленного напряжения и его постоянная составляющая.
При расчете выпрямителя задается выпрямленное напряжение на нагрузке и определяется напряжение фазы вторичной обмотки трансформатора, действующее значение которого равно:
Кривая выпрямленного напряжения, помимо постоянной составляющей,
содержит также переменную составляющую. Так как период изменения кривой u0 в
т раз меньше периода изменения тока питающей сети, частота первой гармоники переменной составляющей в m раз больше частоты тока питающей сети, т. е. f1= mfc.
Гармонический ряд для кривой u0 имеет вид:
где u1, и2, ...,—амплитуда первой, второй и т. д. гармоник: —угловая частота тока питающей сети.
В силу симметрии кривой ио относительно оси ординат все члены с синусами в гармоническом ряде отсутствуют. Амплитуда k-й гармонической переменной составляющей
Это выражение справедливо при m >=2.
Содержание переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения в относительных единицах или процентах определяется соотношениями:
На практике переменная составляющая или пульсация напряжения оценивается
то первой гармонике. имеющей наибольшую амплитуду и наинизшую частоту. Для первой гармоники (k =1) пульсация равна;
Так как каждая фаза вторичной обмотки трансформатора и каждый вентиль в однотактных схемах работают один раз за период в течение части периода 2 /m, то среднее значение тока в обмотке трансформатора и через вентиль в т раз меньше тока нагрузки, т.е Iср=Io/m.
Действующее значение тока вторичной обмотки и вентиля
где Iмакс—амплитуда тока вторичной обмотки, равная