Активно-емкостная нагрузка

Рассмотрим влияние активно-емкостной нагрузки на примере работы однофазного мостового выпрямителя.

На рисунке представлены графические зависимости токов и напряжений, поясняющие переходные процессы в схеме в момент подключения выпрямителя к источнику U₁.

На интервале _зарU₁>U_Си при этом происходит заряд емкостиCсглаживающего фильтра через внутреннее сопротивление выпрямительного звена. При этом появляется большой импульсный ток, значения которого в 20…40 раз выше установившегося значения средневыпрямленного тока вентиля. Особенно это выражено в источниках питания с бестрансформаторным входом. Для ограничения этого тока вводят резисторы, терморезисторы или резисторы шунтированные управляемыми ключами, выполненные на симисторах, тиристорах или динисторах. Ключи позволяют с учетом времени установления переходного процесса производить ограничение тока только в момент пуска источника питания, следовательно, повышаются КПД и надежность выпрямителя.

На интервале _раз, когда напряжение на емкости уравнивается с напряжением источника, конденсатор разряжается на нагрузку. С увеличением тока нагрузки увеличивается уровень пульсации выпрямленного напряжения из- за уменьшения постоянной цепи разряда_раз=R_НС. При этом ухудшаются сглаживающие действия фильтра.

При расчете выпрямителя с емкостной нагрузкой используют метод Терентьева – метод номограмм. Он основан на расчете вспомогательных коэффициентов зависящих от угла протекания тока через вентиль.Вводят коэффициент А=f(), где- угол протекания тока через вентиль. Для различных схем выпрямителей приводятся номограммы, которые получены экспериментальным путем для различных мощностей и схем выпрямителей. Для расчета параметровU_обр,I_аср,I_ад,U₂,I₂вводят вспомогательные коэффициенты: В, С,D=f(A). Для получения связи среднего тока через вентиль с параметром А проведем интегрирование на интервале. При выводе соотношения примем емкость конденсатора, близкую к бесконечности

(С), а пороговое напряжение равным нулю на ВАХ диода. Для получения среднего значения тока через вентиль переместим оси координат в середину импульса тока и воспользуемся уравнением для среднего значения тока:(1)

,(2).

Нижеприведенные диаграммы поясняют вывод соотношений для U_d.

На интервале 2ток вентиля совпадает с током нагрузки. Приравняем (1) и (2) и поделим внутреннюю скобку в выражении (1) наcos, получим:.

Элемент управляемых выпрямителей – тиристор

В источниках питания тиристор используется для регулирования (стабилизации) напряжения в управляемых выпрямителях и стабилизаторах напряжения в цепи переменного тока. Изменение фазы подачи управляющего импульса на тиристор по отношению к точке “естественной” коммутации (коммутация в неуправляемых выпрямителях) изменяется уровень напряжения в нагрузке. Кроме того, тиристор нашел широкое распространение в защитных устройствах.

Тиристоримеетчетырехслойную структуру с тремя p –n переходами.Его быстрое включение при подаче импульса управления (по отношению к катоду или аноду) обеспечивается внутренней, положительной обратной связью по току. При поступленииU_УПР на базуVT2 увеличивается коллекторный токI_К2, что приводит к возрастанию тока базы транзистораVT1 и увеличению его коллекторного токаI_К1, происходит лавинное открывание тиристора.

На вольт- амперной характеристике тиристора (ВАХ)участок ОА соответствует открытым переходам П1 и П3 и закрытому переходу П2, к тиристору прикладывается прямое положительное напряжениеU_ПРи отсутствует импульс управления на управляющем электроде (УЭ), что соответствует закрытому состоянию полупроводника. Участок БВ соответствует ВАХ полупроводникового диода, когда всеp–nпереходы открыты. НапряжениеU_{пр max}соответствует динисторному режиму, когда открывание тиристора происходит при достижение граничного значения прямого напряжения (U_{пр max}) при токе управления равным нулю. Это позволяет управлять включением тиристора без использования системы управления. Участок ОГ ВАХ соответствует открытому переходу П2 и закрытым переходам П1 и П3. Для обеспечения гарантированного включения тиристора необходимо подобрать по мощности и длительности сигнал управления тиристором. Если значение прямого напряженияU_ПРмало, то необходимо увеличить управляющий токI_У(смотри ВАХ тиристора).

Условием включения тиристораявляется подача положительного импульса управления на УЭ с определенной длительностью (с учетом времени включения тиристора) при положительном прямом напряжении между анодом (А) и катодом (К).Условием выключения тиристораявляется снижение прямого тока ниже уровня тока удержания (I_УД), который близок к нулю. При выключении тиристора необходимо выдержать время, необходимое для гарантированного его выключения (время выключения тиристора достаточно большое и составляет несколько десятков мкс). Для выключения тиристора достаточно приложить обратное напряжение или снизить ток в цепи до нуля.

На рисунке изображена ВАХ управляющего перехода тиристора:

Заштрихованная область ВАХ соответствует пределам допустимой мощности сигнала управления для обеспечения гарантированного отпирания тиристора. Нижние границы учитывают температуру полупроводникового элемента. В зависимости от длительности управляющего сигнала изменяется верхняя граница допустимой мощности сигнала (P_ДОП). Вторая ВАХ определяет границы максимальной температуры и минимального сопротивления управляющегоp-nперехода, первая ВАХ определяет границы минимальной температуры и максимального сопротивления управляющегоp-nперехода.

Существуют требования к динамическим параметрам тиристора: скорости изменения прямого тока тиристора di_пр/dt и скорости изменения прямого напряжения тиристора dU_пр/dt. Для регулирования скорости изменения тока последовательно с тиристором включают уравнительный реактор. Достаточно одного витка в дросселе, чтобы ограничить скорость нарастания тока, поэтому на проводник надевается ферритовое кольцо.

При увеличении скорости изменения прямого напряжения Uпр, может возникнуть самопроизвольное включение элемента.

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения параллельно тиристору включается RVDC-цепь. Конденсатор ограничивает уровень всплесков напряжения, что исключает возникновение аварийного режима (перенапряжения), а диод обеспечивает рекуперацию энергии.

На рисунке показана схема, формирующая управляющий сигнал на тиристор.

Трансформатор Tобеспечивает гальваническую развязку силовой цепи и системы управления и повышает уровень напряжения управляющего сигнала, транзистор увеличивает мощность сигнала. При подаче управляющего импульса с системы управления на транзисторный ключVT1 протекает ток по контуру: “+”U₁; первичная цепь трансформатора Т; коллектор- эмиттерVT1; “-“U₁. В цепи намагничивания трансформатораTнакапливается реактивная энергия, которая вызывает появления отрицательного выброса напряжения в форме импульса управления. Индуктивность рассеяния и емкостью коллекторного переходаVT1 приводят к появлению всплесков напряжения на “переднем фронте” импульса управления (переходный процесс). Во избежание “ложного” включения тиристора во вторичной цепи трансформатора установлены: выпрямительный диодVD1 и диод рекуперацииVD2.