8. Приложение Особенности схемотехнической реализации однофазных выпрямительных тиристорных устройств.

Выпрямительные тиристорные устройства используют для своей реализации кремниевые управляемые вентили (тиристоры), которые имеют четырехслойную структуру электронно-дырочных переходов типа p-n-p-n (рис.10.2).

Рис. 10.2. Модель тиристора

Как и в неуправляемых диодах, полупроводник типа “n” служит катодом вентиля, а крайний слой полупроводника типа “p”-анодом. Управляющий электрод УЭ можно считать аналогом сетки тиратрона, в цепь этого электрода надо вводить импульс тока положительной полярности. Принцип действия тиристора подробно рассматривается в [1], [2]. [3]. Вольтамперная характеристика тиристора изображена на рис. 10.3, где

1- область непроводящего состояния в прямом направлении;

2- область пробоя;

3- область отрицательного сопротивления;

4- область высокой проводимости;

5- область непроводящего состояния в обратном направлении;

6- область необратимого лавинного пробоя.

Рис. 10.3. ВАХ тиристора без управляющего сигнала

Рис. 10.4. Семейство ВАХ тиристора

Включение цепи управляющего электрода тиристора снижает напряжение включения тиристора Uвкл. Как следует из рис. 10.4, чем больше ток управляющего электрода Iу, тем легче и быстрее происходит пробой тиристорной структуры рис. 10.4: Iу1>Iу2>Iу3>Iу4. При большом токе, так называемом токе спрямления Iу1, характеристика тиристора совпадает с характеристикой неуправляемого диода, т.е. происходит полное спрямление прямой ветви ВАХ тиристора, которая переходит в ВАХ диода

В правильно рассчитанной тиристорной схеме управляющий импульс должен обеспечить необходимый ток управления спрямления для полного открытия тиристора.

Рассмотрим работу простейшего регулируемого тиристорного выпрямителя на примере однофазной однополупериодной схемы рис. 10.5, и его временные диаграммы, изображенные на рис. 10.6.

В такой схеме от сети переменного тока одновременно питаются первичные цепи трансформаторов Тр1 и Тр2; анодный трансформатор Тр1 обеспечивает питание цепи нагрузки, а трансформатор Тр2 питает цепь управляющего электрода УЭ тиристора VT. В первичную цепь Тр2 включен фазорегулятор Ф и с его помощью можно сдвигать управляющее напряжение Uу относительно анодного напряжения на угол регулирования . Когда фазы напряжений на аноде и УЭ совпадают (=0), тиристор включается в те моменты времени, как только начинается положительный полупериод анодного напряжения, если нагрузка в анодной цепи имеет активный характер. При этом ток через тиристор и нагрузку протекает в течении всей половины периода, создавая на нагрузке , как в простейшем неуправляемом выпрямителе.

При сдвиге фазы управляющего напряжения относительно анодного на угол включение тиристора задерживается до тех пор, пока положительное напряжение на аноде не возрастет настолько, что окажутся выполнимыми условия включения тиристора. В результате тиристор включается позднее и ток через него и нагрузку будет протекать в течение времени меньшего T/2. При этом падение напряжения на нагрузке.

На рисунке 10.7 приведены регулировочные характеристики управляемого тиристорного выпрямителя , из которых следует, что при, (однофазного однополупериодного выпрямителя) при,, т.е. достигает максимального значения. Плавно, с помощью фазовращателяменяя уголдобиваемся требуемого нам значенияв пределах.

Отметим, что на схеме (рис. 10.5) применяется фазовый метод регулирования выходного напряжения тиристорного устройства. Более распространенным является импульсно-фазовый метод регулирования. Включение тиристора в этом случае осуществляется подачей узкого прямоугольного импульса соответствующей амплитуды, изображенный на рис. 10.6,б пунктиром с амплитудой и также имеющий сдвиг на угол.

Особенностью тиристорных схем является включение тиристора при положительном напряжении на аноде и положительного импульса на управляющем электроде. После включения тиристора, он остаётся замкнутым в течении всего интервала положительного анодного напряжения и его выключение не может быть осуществлено снятием управляющего импульса. Включенный тиристор может быть выключен только снятием положительного анодного напряжения или его отрицательной полуволной. В этом отношении тиристор относится к частично управляемым полупроводниковым структурам в отличии от транзистора, который является полностью управляемой полупроводниковой структурой (сигналом по своей базе).

Рассмотрим работу однофазной двухполупериодной схемы управляемого тиристорного выпрямителя рис.10.8 и его временные диаграммы рис10.9. Схема изображена без управляющих цепей.

Рис. 10.7. Регулировочные характеристики

Если между напряжениями управляющего электрода и анода каждого тиристора нет сдвига фаз, то схема действует как схема с обычными вентилями: ток протекает через каждый тиристор в нагрузку в течение Т/2 (или радиан). При сдвиге фази, т.е при угле регулирования:

,

т. к. ; .

Рис. 10.8. Однофазная двухполупериодная схема

управляемого тиристорного выпрямителя

Характер регулировочной характеристики остается как и для однофазной схемы и отличается от нее лишь в два раза большим масштабом. При активной нагрузке среднее значение выпрямленного напряжения при

При индуктивном характере нагрузке (наличии фильтра LC) управляемый выпрямитель может работать в двух режимах (рис. 10.10):

Как видно из рисунка 10.10 переход из одного режима работы в другой зависит не только от L, но и от величины . В режиме непрерывного тока накопленная в индуктивности цепи нагрузки энергия, достаточна для поддержания тока до момента включения второго вентиля () и ток протекает в некоторые части периода даже при отрицательном потенциале на аноде. В режиме непрерывного тока среднее значение выпрямленного напряжения для рис 10.10

Регулировочная характеристика для этого случая изображена на рис 10.11 и существенно отличается от характеристики изображенной на рис. 10.7.

Рис.10.10. Временные диаграммы тиристорного выпрямителя

с

Для улучшения параметров схемы, а именно для уменьшения пульсаций, на выходе фильтра включается обратный диод (рис. 10.12). Работа схемы рис. 10.12 иллюстрируется временными диаграммами изображенными на рис. 10.13. В управляемом выпрямителе вместе с увеличением угла регулирования α увеличивается угол сдвига между анодным током тиристора (его первой гармоникой) и анодным напряжением тиристора,

LC-фильтром

Рис 10.11. Регулировочная характеристика в режиме непрерывного тока

что снижает коэффициент мощности cosφ=сosα=P1/S1=(Pн+Pпот)/S1, где Р1 - активная, S1=U1*I1 - полная мощности. При увеличении угла регулирования коэффициент мощности тиристорного устройства падает, что является его существенным недостатком.

Рис. 10.12. схема выпрямления с обратным диодом

Рис. 10.13.Временные диаграммы для схемы с обратным диодом

Существенно положительными качествами тиристоров является их большая надежность, способность плавно регулировать выходное напряжение, высокие допустимые обратные напряжения (до 1000 и более вольт), высокие допустимые прямые токи (до нескольких ампер), малое внутренне сопротивление в открытом состоянии и, как следствие этого, высокий КПД тиристорных выпрямительных устройств.