книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

Г Л А В А V II

У п р а в л я е м ы е в ы п р я м и т е л и

У обычных, неуправляемых, выпрямителей ве­ личина выходного напряжения жестко связана с величи­ ной напряжения питания. В то же время на практике ча­ сто требуются выпрямители, выходное напряжение кото­ рых можно было бы изменять в широких пределах, либо, наоборот, поддерживать строго постоянным, независимо от изменений питающего напряжения.

Выпрямители, выходное напряжение которых может плавно регулироваться при неизменном напряжении пи­ тания, называют управляемыми выпрямителями. В каче­ стве вентилей в таких выпрямителях используются уп­ равляемые полупроводниковые вентили-тиристоры.

§ 1. Принцип действия управляемых выпрямителей

Принцип действия управляемых выпрямителей за­ ключается в том, что включение вентиля в положитель­ ный полупериод питающего напряжения происходит не сразу, а с некоторой задержкой на угол а, называемый углом зажигания. В многофазных выпрямителях угол а отсчитывают от момента естественной коммутации вен­ тилей. На рис. 80 в качестве примера показано выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя при раз­ личных углах зажигания тиристора. С изменением угла зажигания среднее значение выпрямленного напряже­ ния может изменяться от нуля до максимального значе­ ния, равного выходному напряжению неуправляемого выпрямителя.

Угол зажигания тиристоров регулируется с помощью специальных схем управления. Чтобы исключить само­ произвольное зажигание тиристоров, в схемах управля­ емых выпрямителей применяют вентили, напряжение пробоя которых в прямом направлении больше, чем амп­ литуда напряжения питания.

2 0 2

Рис. 80. Форма двухполу-

личину которого регулируют от нуля до тока спрямления

значения до нуля. Включение тиристоров при этом мето­ де регулирования происходит в тот момент, когда мгно­ венное значение напряжения питания становится равным пробивному напряжению тиристора при заданном токе управления.

Амплитудный метод регулирования угла зажигания иллюстрируется рис. 81. На этом рисунке изображена схема однополупериодного управляемого выпрямителя с амплитудным регулированием и временные диаграммы электрических процессов в схеме. На временной диаграм­ ме нанесена кривая iy. Вкл , которая показывает величи­ ну тока управления, необходимого для включения тири­ стора при данном мгновенном значении напряжения пи­ тания. Эта кривая строится в соответствии с характери­ стикой зажигания тиристора (рис. 81, в).

Включается тиристор в момент, когда необходимый для зажигания тиристора ток цепи управления становит­ ся равным фактически существующему току в этой цепи

ния наиболее прост, но имеет ряд существенных недо­ статков, важнейшие из которых — ограниченный диапа­ зон регулирования угла зажигания и нестабильность

2 0 3

Рис. 81. Амплитудный метод управления зажиганием тири­ стора:

а — схема управления; б — форма напряжений и токов, в — характе­ ристика зажигания тиристора

а

5

иллюстрируется рис. 82. Зажигание тиристора происхо­ дит в тот момент, когда ток в цепи управления достигает величины, достаточной для включения тиристора (точ­ ка а). Изменяя угол сдвига фазы управляющего напря­

можно получить, например, с помощью фазосдвигающе­ го моста, схема и векторная диаграмма которого показа­ ны на рис. 82, в, г. Следует иметь в виду, что при таком методе регулирования необходимо предохранять управ-

2 0 4

Рис. 82. Фазовый метод управления зажиганием тиристора:

векторная диаграмма фазо­ вращателя

ляющии электрод от попадания на него отрицательной полуволны управляющего напряжения, так как это может вывести тиристор из строя. С этой целью в схему вводят диоды Д\ и Д 2.

К недостаткам фазового метода управления относят­ ся сложность получения управляющего напряжения со сдвигом фазы, управляемым электрическим сигналом; некоторая нестабильность угла зажигания, связанная с разбросом характеристик управления тиристоров; боль­ шие потери мощности во входной цепи тиристоров.

При импульсном методе регулирования угла зажига­ ния (рис. 83) тиристоры включаются с помощью корот­ ких импульсов тока положительной полярности, пода­ ваемых во входную цепь тиристора. Включение тиристо­ ров при этом методе регулирования происходит в момент подачи импульса входного тока. Амплитуда управ­

ляющих импульсов должна превышать ток спрямления ти­ ристоров, а длительность

Рис. 83. Импульсный метод управле­ ния зажиганием тиристора

2 0 5

импульсов должна быть достаточной для включения ти­ ристора (обычно 30—50 мкс).

Для четкой фиксации момента включения тиристора передний фронт управляющих импульсов стремятся сде­ лать по возможности вертикальным. Такой метод управ­ ления наиболее распространен, благодаря его существен­ ным преимуществам перед остальными. К этим преиму­ ществам относятся: наиболее четкая фиксация момента включения тиристора; малый расход мощности в цепи управления, поскольку управляющий ток протекает в те­ чение весьма малого промежутка времени; возможность создания схем с электрическим регулированием угла за­ жигания. Устройства для формирования управляющих импульсов создаются обычно на основе типовых им­ пульсных схем.

§ 2. Однополупериодный управляемый выпрямитель

Схема управляемого однополупериодного выпрямите­ ля, работающего на активную нагрузку, показана на рис. 84. На том же рисунке изображены временные ди­ аграммы токов и напряжений в схеме. Напряжение на нагрузке появляется в момент подачи управляющего импульса и продолжает подаваться на нагрузку в тече­ ние оставшейся части положительного полупериода на­ пряжения питания. Среднее напряжение на нагрузке определяют путем интегрирования напряжения питания за то время, когда напряжение приложено к нагрузке

71нагрузке в однополупериодном неуправляемом выпрямителе.

На рис. 85 показана схема выпрямителя и даны ди­ аграммы токов и напряжений при работе однополупери­ одного управляемого выпрямителя на активно-индуктив­ ную нагрузку. Этот режим работы имеет существенные отличия от режима работы на чисто активную нагрузку. Индуктивный характер нагрузки приводит к тому, что

2 0 6

а — схема выпрямителя; б, в, г — форма токов и напряжений

а

г

а

Рис. 85. Однополупериодный управляемый выпрямитель

с индуктивной нагрузкой:

а — схема; б, в, г — форма токов и напряжений

ток в цепи изменяется не скачком при включении тири­ стора, а плавно нарастает до максимального значения и затем начинает уменьшаться. При уменьшении тока в индуктивности нагрузки развивается ЭДС самоиндук­ ции, поддерживающая ток в цепи некоторое время после окончания положительного полупериода напряжения источника питания. Поскольку при этом через тиристор продолжает протекать ток, он остается в открытом со­ стоянии и напряжения на нем нет. В результате к на­ грузке оказывается приложенным напряжение питания отрицательной полярности, под действием которого ток нагрузки быстро уменьшается.

Когда ток в цепи падает до величины тока гашения тиристора, тиристор выключается и напряжение на на­ грузке скачком изменяется до нуля. Таким образом, нап­ ряжение к нагрузке прикладывается как в положитель­ ной, так и в отрицательной полярности, в результате че­ го среднее выпрямленное напряжение на нагрузке умень­ шается. Среднее напряжение на нагрузке находят интег­ рированием напряжения питания за все время протека­ ния тока через нагрузку:

С увеличением индуктивности нагрузки увеличивает­ ся время открытого состояния тиристора, при этом сред­ нее напряжение на нагрузке стремится к нулю. Поэтому применять однополупериодные выпрямители для работы на активно-индуктивную нагрузку практически нецеле­ сообразно.

§ 3. Двухполупериодные схемы управляемых выпрямителей

Схема со средней точкой

Схема и временные диаграммы двухполупериодного управляемого выпрямителя со средней точкой, работаю­ щего на активную нагрузку, приведена на рис. 86. Блок

2 0 9

Рис. 86. Двухполупериодный управ­ ляемый выпрямитель со средней точкой при активной нагрузке: