3.1. Параметры управляемого вентиля-тиристора

В управляемых выпрямителях применяются вместо диодов управляемые вентили –тиристоры. Вольт амперная характеристика тиристора напоминает характеристику диода, но в отличие от нее имеет на прямой ветви выброс, симметричный обратной ветви. По этой причине тиристор не будет проводить ток как в прямом, так и в обратном направлении (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика тиристора

При положительной полярности напряжения на аноде тиристор может проводить ток, если подать импульс на управляющий электрод (УЭ) длительностью не меньше t_вкл (1-10мксек). В этом случае снижается напряжение выброса до минимума и вольт амперная характеристика становится похожей на характеристику диода.

После включения тиристора необходимость управляющего импульса отпадает. Для его выключения требуется уменьшить ток в тиристоре (меньше I_уд) в течение определенного времени (больше t_выкл>t_вкл). В цепях переменного тока выключение тиристора происходит естественно при изменении направления тока. В цепях постоянного тока используется система искусственной коммутации.

К основным показателям тиристора следует отнести допустимые прямое и обратное напряжения (U_пр, U_обр), средний и амплитудные токи, I_уд. Минимальный ток удержания I_уд -ток, при котором тиристор еще находится в открытом состоянии.

По цепи управления тиристор характеризуется величиной тока и длительностью управляющего импульса.

Тиристор критичен к скорости изменения напряжения на аноде. При достаточно большой скорости возможно его самопроизвольное включение. При высокой скорости изменения тока так же может быть пробой.

В управляемом выпрямителе регулирование выходного напряжения осуществляется изменением момента включения угла регулирования . Отсчет угла регулирования производится от точки естественной коммутации.

3.2 Однополупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Рис. 3.2 - Управляемый однополупериодный выпрямитель

Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течение всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωt_з. t_з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).

Рис. 3.3. - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров

Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя (рис. 3.4):

Рис. 3.4 - Фазовращатель

3.3. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока

Вентильные схемы с нулевым выводом характеризуются тем, что токи во вторичных обмотках имеют одно направление и поэтому содержат постоянную и переменную составляющие. В зависимости от наличия броневой или стержневой магнитной системы для полной компенсации намагничивающих сил трансформатора обмотки следует располагать по-разному.

В дальнейшем будем рассматривать однофазную двухполупериодную однотактную схему, представленную на рис. 3.5,а, при этом подразумевается, что в схемах рис. 3.5,а и рис. 3.5,б электромагнитные процессы протекают одинаково, т.е. обе схемы магнитно уравновешены.

Рис. 3.5. Двухполупериодная однотактная вентильная схема: а – с броневой магнитной системой; б – со стержневой магнитной системой

 Вторичная обмотка трансформатора имеет секции и с напряжениями и , сдвинутыми по фазе на 180⁰.

Для напряжений секций и трансформатора имеем

,

где – действующее значение напряжения одной секции вторичной обмотки трансформатора.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

(3.1)

Действующие значения напряжения через коэффициент схемы

; ;

(3.2)

Постоянная составляющая выпрямленного тока

,

а постоянная составляющая тока через один вентиль

(3.3)

Амплитуда тока вентиля

(3.4)

Когда вентиль 1 закрыт, на его катод с помощью токопроводящего вентиля 2 подается напряжение .

Поэтому обратное напряжение на вентиле

, (3.5)

,

а его амплитуда

(3.6)

Мгновенное значение первичного тока

.

Так как ток меняется синусоидально, его действующее значение

(3.7)

Мощность трансформатора

(3.8)

Параметры трансформатора и вентилей несколько изменяются при работе выпрямителя на нагрузку , когда .

Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

(3.9)

тогда мощность трансформатора

 

(3.10)

Амплитуда анодного тока вентиля .

Остальные параметры вентилей такие же, как и при .

Рис. 3.6. Кривые токов и напряжений двухполупериодной однотактной вентильной схемы: – кривые токов и напряжений приведены на осях 2,3,4,5,6; - 7,8,9,10

Работа схемы рис. 3.5 на активную нагрузку при углах управления .

Пусть в момент времени , т.е. с задержкой на угол относительно перехода напряжения через нуль (точка естественного включения вентиля 1), на управляющий электрод вентиля подается управляющий импульс (рис. 3.5). Тогда вентиль включится и в нагрузке начнет протекать ток под воздействием напряжения . Начиная с этого же момента, к вентилю будет приложено обратное напряжение , равное разности напряжений

двух вторичных полуобмоток.

Рис. 3.7. Диаграммы токов и напряжений однофазного выпрямителя при активной нагрузке и угле

 

Вентиль будет находиться в проводящем состоянии до тех пор, пока ток, протекающий через него, не спадет до нуля. Так как нагрузка активная и форма тока, проходящего через нагрузку, повторяет форму напряжения , то вентиль включится в момент

.

Поскольку через половину периода полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется на противоположную, то при подаче управляющего импульса на вентиль в момент

он включится. Затем указанные процессы повторяются в каждом периоде.

Угол , называемый углом управления или регулирования, отсчитывают относительно моментов естественного включения вентилей ( ), соответствующих моментам включения неуправляемых вентилей в схеме.

Из рис.7 видно, что с увеличением угла среднее значение выходного напряжения будет уменьшаться.

Аналитически эта зависимость будет выражаться следующей формулой:

(3.11)

Обозначив через найденное по выражению (3.9) среднее значение выпрямленного напряжения для неуправляемого выпрямителя ( ), получим средне выпрямленное напряжение для активной нагрузки:

(3.12)

Кривая 1 на рис.6 находится по выражению (19).

Среднее значение выпрямленного тока

(3.13)

В соответствии с (3.13) изменение угла от 0 до приводит к изменению среднего значения выходного напряжения от до нуля.

Зависимость среднего значения выходного напряжения от угла управления называется регулировочной характеристикой вентильного преобразователя.

Рис. 3.8. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

 

Заштрихованная область на рис. 3.8 соответствует семейству регулировочных характеристик при различных значениях отношения

.

Если накопленной в индуктивности энергии окажется достаточно, чтобы обеспечить протекание тока до очередной коммутации вентилей, то будет иметь место режим работы с непрерывным током . При режим непрерывного тока будет существовать при любых углах в диапазоне от 0 до (кривая 2 на рис. 3.8).

Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования

Диаграммы токов и напряжений на элементах будут такими же, как и для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Отличие заключается только в том, что амплитуда обратного напряжения на вентиле в мостовом выпрямителе будет в 2 раза меньше, чем в двухполупериодном нулевом выпрямителе.

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

Рис. 3.9. Однофазный мостовой выпрямитель

 

При активной нагрузке работа схемы будет характеризоваться следующими основными соотношениями:

• среднее значение выпрямленного напряжения

;

• максимальное значение обратного напряжения на вентилях

;

• максимальное значение тока вентиля

;

• среднее значение тока вентиля

;

• действующие значения токов, проходящих через вентили и обмотки трансформатора

; ; .

Однофазная мостовая схема, работающая с углом , имеет такие же формы токов и напряжений на ее элементах, как и в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой (рис. 3.10).

Среднее значение выходного напряжения:

• при активной нагрузке (рис. 3.11, кривая 1)

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения на выходе схемы при угле ;

• при активно-индуктивной нагрузке, когда или имеет такое значение, что выпрямленный ток непрерывен (рис.3.11, кривая 2),

.

Максимальные значения напряжений на вентилях:

• при активной нагрузке

, ;

• при активно-индуктивной нагрузке

, .

Максимальное значение токов вентилей при активной нагрузке

.

 

Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше нуля,

 

Наличие в цепи нагрузки индуктивности существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Так, после начала работы выпрямителя нарастание тока в нагрузке будет происходить постепенно и тем медленнее, чем больше постоянная времени .

При наличии индуктивности выпрямленный ток становится более сглаженным и не успевает доходить до нуля в моменты, когда выпрямленное напряжение становится равным нулю.

При увеличении индуктивности или частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения пульсации выпрямленного тока уменьшаются, а при значениях , равных 5-10 и более, расчетные соотношения в схеме будут незначительно отличатся от случая, когда или ( ). В этом случае можно считать, что вся переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется на индуктивности , а постоянная – на сопротивлении .

Несмотря на то, что управляющие импульсы поступают на вентили с задержкой на угол относительно моментов их естественного включения ( ), длительность протекания тока через каждый вентиль остается равной половине периода напряжения питающей сети.

При ток в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют прямоугольную форму, но в отличие от схемы, работающей с углом , прямоугольники токов будут сдвинуты относительно выпрямленного напряжения на угол . Сдвиг тока относительно напряжения на угол приводит к появлению в выпрямленном напряжении отрицательных участков, что вызывает снижение его среднего значения (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при активно-индуктивной нагрузке и ( )

 

Учитывая, что форма выпрямленного напряжения повторяется в интервале углов от до , среднее значение выпрямленного напряжения можно найти по формуле

(3.14)

Согласно (3.14) среднее значение выпрямленного напряжения становится равным нулю при . В этом случае в выпрямленном напряжении площади положительного и отрицательного участков равны между собой и постоянная составляющая отсутствует [1].

Регулировочная характеристика для активно-индуктивной нагрузки показана на рис.3.11 кривая 2.

Рис. 3.11. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя: 1 – при активной нагрузке; 2 – при активно-индуктивной нагрузке

 

Если величина невелика и такова, что энергии, запасенной в индуктивности на интервале, когда , оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока в течение половины периода, то вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на другой вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом . Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис.3.12).

Рис.3.12. Диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя при режиме прерывистых токов

 

При одинаковых значениях угла α среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током, благодаря уменьшению отрицательного участка в кривой выпрямленного напряжения, но меньше, чем при работе выпрямителя на активную нагрузку.

Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики будут находиться между кривыми 1 и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 3.11.

Режим работы схемы, когда ток в вентилях спадает до нуля точно в момент включения очередного вентиля, называется граничным.

Очевидно, что чем больше угол α, тем больше должна быть индуктивность , чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током . Индуктивность, обеспечивающая при заданных параметрах–схемы граничный режим работы, называют критической.

При прерывистом токе и постоянной нагрузке трансформатор, вентили, коллектор работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же значении выпрямленного тока действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения

угла , индуктивность обычно выбирают из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока.

Граница перехода к непрерывному выпрямленному току зависит от соотношения , характеризующегося углом .

Пока , режим непрерывен, а при

ток имеет прерывистый характер.

В режиме непрерывного тока постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Ток вентиля в прерывистом режиме

.

Из последнего выражения видно, что когда , ток , т.е. на границе перехода от прерывистого к непрерывному режиму угол .

Обозначив угол протекания тока через вентиль равным и подставляя в выражение

,

получим уравнение

,

дающее зависимость между углами и .

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

.

Постоянная составляющая выпрямленного тока в обоих случаях

.

Ниже, на рис. 3.13 показана схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым управлением.

Рис. 3.13. Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C5, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.