Контрольные вопросы и задача

1. Что такое внешняя характеристика выпрямителя?

2. Как влияет на ее ход активно ─ индуктивная и активно ─ емкостная нагрузка?

3. Какие величины определяют наклон внешней характеристики выпрямителя, работающего с перекрытием фаз?

4. Как влияет явление перекрытия фаз на коэффициент пульсации?

5. Что такое индуктивность рассеяния трансформатора и как она влияет на значение выходного напряжения выпрямителя?

6. Почему при L_s¹0 кривая обратного напряжения возрастает не плавно, а скачком? Почему возникают импульсные перенапряжения?

7. Что такое угол коммутации и от чего он зависит?

8. Задача. Для трехфазного мостового выпрямителя нарисовать и объяснить временную диаграмму напряжения на нагрузке при

3. Управляемые выпрямители

3.1. Тиристоры в управляемых выпрямителях

В промышленном и транспортном электроприводе, в мощных электротермических и электротехнологических установках находят применение управляемые выпрямители (УВ), в которых в отличие от неуправляемых выпрямителей имеется возможность изменения и регулирования параметров выходной энергии (напряжения, тока). Регулирование их выходного напряжения может выполняться различными способами: с помощью регулируемых трансформаторов, с помощью резистивных или емкостных делителей и с помощью управляемых вентилей – тиристоров. Последний способ в настоящее время используется наиболее широко.

Тиристоры – это управляемые полупроводниковые приборы диодного типа (рис. 3.1), имеющие три p-n перехода. Крайняя P-область называется анодом, другая крайняя N-область – катодом, а вывод от одной из центральных областей называется управляющим электродом (УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на приборы с катодным управлением (рис. 3.1а) и приборы с анодным управлением (рис. 3.1в). ВАХ тиристора (рис. 3.2) отличается от ВАХ диода только в области прямых напряжений тем, что тиристор включается в проводящее состояние подачей тока I_у на управляющий электрод. Включение тиристоров в УВ «по аноду» подачей напряжения U>U_вкл нежелательно из-за возможного повреждения прибора. После включения УЭ теряет управляющие свойства и, следовательно, не в состоянии выключить прибор. Для выключения тиристора необходимо либо понизить ток до значения I<I_уд (рис. 3.2), либо поменять полярность напряжений на аноде (рис. 3.3). В УВ полярность этого напряжения меняется периодически с частотой питающей сети, что обеспечивает так называемое естественное запирание тиристоров.

Следует отметить, что тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление, называемое «эффектом dU/dt», ограничивает допустимую скорость нарастания прямого напряжения значениями 20…100 В/мкс. Другими параметрами тиристоров являются:

• допустимое прямое U_вкл и обратное U_{обр.доп.} напряжения (рис. 3.2), составляющие для разных типов тиристоров от 100 до 6000 В;

• допустимый средний прямой ток I_пр.доп (у мощных тиристоров до 2000А);

• амплитуда I_у, длительность t_иу и скорость нарастания dI_у/dt импульса тока управления;

• времена включенияt_вкл и выключения t_выкл.

Рис. 3.1. Структура тиристора с катодным управлением (а) и его условное схематическое обозначение (б), структура тиристора с анодным управлением (в) и его условное схематическое обозначение (г)

Рис. 3.1 Структура тиристора с катодным управлением (а) и его условное схематическое обозначение (б), структура тиристора с анодным управлением (в) и его условное схематическое обозначение (г).

У современных тиристоров t_вкл составляет единицы микросекунды, а t_выкл колеблется от 20 до 500 мкс. Заметим, что только спустя t_выкл к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение U_пр, иначе прибор самопроизвольно включается. Эквивалентная схема тиристора в области прямых напряжений не отличается от диодной (см. п. 2.4), а статическая мощность потерь определяется по формуле (2.18) с учетом (2.15) и (2.16).

Для расчета мощности коммутационных потерь справедливо соотношение

, (3.1)

где U_K, I_K – коммутируемые напряжения и токи; T_K – период коммутации.

Рис. 3.3. Схемы выключения тиристора: размыканием цепи (а),

шунтированием прибора (б), подачей обратного напряжения (в)

Помимо основного типа тиристоров отечественные и зарубежные изготовители выпускают ряд разновидностей тиристоров.

С

имистор – это симметричный тиристор (рис. 3.4а, б, в). Предназначен для коммутации в цепях переменного тока и заменяет собой цепь из двух тиристоров, включенных встречнопараллельно, с общим электродом управления. Так, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10 А при

а

б)

) г) в)

Рис. 3.4. Структура симистора (а), его схематическое изображение (б),

вольт-амперная характеристика (в), схематическое обозначение

запираемых тиристоров (г)

напряжении до 400 В.

Запираемые (двухоперационные) тиристоры (рис. 3.4г) позволяют отключать анодный ток подачей отрицательного импульса на управляющий электрод. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. Применение запираемых тиристоров в силовой электронике становится все более широким в диапазоне токов до 200 А и напряжений до 1000 В.

Фототиристоры и фотосимисторы (рис. 3.5а) – это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых УЭ заменен инфракрасным светодиодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. Они также могут использоваться для управления более мощными тиристорами или симисторами. Малое потребление цепи управления позволяет включать подобные приборы к выходу микропроцессоров и микроЭВМ (рис. 3.5б) для цифрового регулирования тока в нагрузке R_Н, мощностью до 60 Вт, подключенной к сети переменного тока.

а) б)

Рис. 3.5. Схематическое изображение фотосимистора СИТАК (а) и подключение его к микропроцессору (б)