Тема 5. Керовані випрямлячі

До керованих відносяться випрямлячі, в яких є можливість змінювати величину випрямленої напруги. Більш ефективним є метод регулювання з боку випрямленої напруги за рахунок використання тиристорів.

В керованих тиристорах є можливість затримувати час його від-кривання відносно початку додатного півперіода змінної напруги на аноді, як показано на рис.28.а і б.

З рис.28, б видно, що середнє значення випрямленої напруги з врахуванням кута залежить від кута зсуву фаз між додатним значенням змінної напруги U ~ на аноді тиристора VS і напругою U_к ,яка подається на керуючий електрод.

а б

Рис.28. Принцип роботи керованого випрямляння: а – схема однопівперіодного випрямляння; б – часові діаграми

Кут називається кутом керування або кутом затримки вмика-ння тиристора. За оптимальну форму сигналу керування U_к прийня-то прямокутний або інший з прямим переднім фронтом імпульс та-кої тривалості, який забезпечував би чітке відкривання тиристора і мінімальний нагрів керуючого електрода. Пристрої, які формують сигнал керування , називаються системами імпульсно-фазового керування (СІФК).

Основним недоліком однофазних керованих випрямлячів є ду-же великий коефіцієнт пульсацій і навантаження однієї фази, тому більше ефективним є трифазні керовані випрямлячі, які забезпе-чують рівномірне навантаження струмом фаз мережі живлення, зменшення в десятки разів коефіцієнта пульсацій випрямленої нап-руги і струму, збільшення частоти пульсацій.

а) б) в)

Рис.29. Нульова (а), місткова симетрична (б) і несиметрична (в) схеми керованого

випрямлення.

За схемою випрямлення трифазні керовані випрямлячі поділяю-ться на нульові (однотактні) і місткові (двотактні), а місткові поді-ляються на симетричні і несиметричні (рис.29)

Часові діаграми випрямлених напруг для нульової схеми випря-мляння і режиму холостого ходу (І_н = 0) при і >0 показані на рис.30.

З рис.30 видно, що випрямлена напруга пульсує. Кількість пу-льсацій р за період визначається кількістю фаз випрямляння m і схе-мою з’єднання тиристорів. Для трифазної нульової схеми p = m, для місткової симетричної p = 2m, несиметричної р змінюється від р = 2m до p = m при збільшенні .

Середнє значення випрямленої напруги, рис.30, при >0 і хо-лостому ході

де при .

Рис.30. Часові діаграми випрямлених напруг.

Для простої нульової схеми випрямлення U_d,0 1,26U_ф, для місткової U_d,0 1,4U_ф, де U_ф – діюче значення фазної напруги вто-ринної обмотки трансформатора.

Р ис.31. Часові діаграми напруг і струмів з врахуванням комутації тиристорів.

При навантаженні керованого випрямляча (І_н > 0) виникають перехідні процеси, які обумовлені індуктивностями розсіювання вторинних обмоток трансформатора і індуктивністю мережі живле-ння. За першим законом комутації струм не може збільшитись мит-тєво в тиристорі, який відкривається і зменшитись миттєво в тирис-торі, який повинен припинити проводити струм в зв’язку з відкри-ванням наступного.

Оскільки на час перехідного процесу попередній тиристор не закритий, а наступний відкритий, то на протязі цього часу вторинні

обмотки трансформатора закорочені через тиристори, що обумов-лює зменшення (на заштриховану площу) випрямленої напруги (рис.31.) Цей проміжок часу характеризується кутом комутації .

Отже, зменшення випрямленої напруги за рахунок явища кому-тації пропорційне величині випрямленого струму І_н , індуктивному опору кола Х (без врахування індуктивного опору навантаження)

.

Середнє значення випрямленої напруги при активно-індуктив-ному навантаженні буде зменшуватися не тільки за рахунок перехі-дних процесів, а і за рахунок спаду напруги на активному опорі R₂ вторинної обмотки трансформатора і активному опорі R_ак між ано-дом і катодом відкритого тиристора. Отже,

У випрямлячах невеликої потужності величинами і можна знехтувати. Тоді

Залежність випрямленої напруги від струму навантаження при сталому називається зовнішньою характеристикою керованого випрямляча. На характер залежності впливає перерв-ність струму в часі, що має місце, коли тривалість відкритого стану тиристора менше і в інтервалі струм на виході рівний нулю, (рис.31). При виборі тиристорів для трифазних керова-них випрямлячів необхідно знати, що найбільша пряма і зворотна напруги рівні лінійній U_2л.

Величина і фаза імпульсів керування тиристорами виробляється системою імпульсно-фазового керування (СІФК), яка забезпечує одержання потрібного кута в залежності від параметрів керуван-ня тиристорами і силової схеми випрямляча.

Джерелом одержання імпульсів керування є релаксаційні гене-ратори на кремнійових тріодах з одним переходом (ОПТ), кремнійо-ві односторонні (КОК) і двосторонні (КДК) ключі, двосторонні пе-ремикаючі діоди (ДПД) та інші ключові прилади.

Як приклад на рис. 32 наведена схема релаксаційного генератора на одноперехідному транзисторі.

Рис.32. Схема релаксатора імпульсів керування.

Принцип дії релаксатора наступний. З рис. 32,а і 32, б видно, що конденсатор С1 через резистор R1 заряджається від стабілізова-ного джерела живлення +U_ст до тих пір, доки напруга на емітері не досягне напруги відкривання U_в , при якій ОПТ відкривається і С1 розряджається через опір переходу емітер – перша база і резистор R_б1, спад напруги на якому і є імпульсами керування U_к=U_б1, (рис.32,б). Коли напруга на емітері досягне мінімального значення U_ео 2В, емітер перестає проводити струм і процес повторюється. Період коливань визначається залежністю

де – параметр, який визначається внутрішньою структурою ОПТ і його значення знаходиться в межах Якщо прийняти то Т Отже, зміною R1 можна керувати періодом імпульсів керування, тобто кутом Якщо замість R1 використати резистивний давач неелектричної величини або транзистор з керу-ванням опору переходу емітер-колектор R_ек вхідним сигналом бази, то можна отримати керування за зворотним зв’язком.

Широке застосування набули СІФК з вертикальним способом керування, в яких імпульси керування виробляються в момент зрівнення напруги, що лінійно змінюється та постійної напруги U_к,α , якою задається величина кута , рис. 33, а. Одержані імпульси формуються, підсилюються і подаються на керуючий електрод тиристора, рис. 33, б.

рис. 33. Принцип вертикального керування.

U_глін – напруга генератора лінійної імпульсної напруги; U_кα – напруга керування кутом α; ПН – порівнювач напруг; - пристрій формування імпульсу; ПІ - підсилювач імпульсів керування

В трифазних тиристорних схемах випрямляння необхідно пода-вати імпульси керування на всі тиристори. Існує два способи подачі імпульсів – із зсувом фаз і одночасний. При подачі імпульсів керу-вання із зсувом фаз в схемах випрямлення рис.29, а і в, необхідно забезпечити зсув імпульсів керування на 120⁰. Тоді кути керування будуть

Індекс при куті показує номер тиристора в схемі. Для схеми рис.29, б потрібно 12 керуючих імпульсів, по два на кожний тирис-тор, зсунутих між собою на 60⁰. Це обумовлено тим, що при випря-млянні від’ємної половини синусоїди наступної фази відкритий ти-ристор попередньої фази закривається і для повторного відкривання потрібен ще один імпульс, зсунутий за фазою на 60⁰, адже в цей час закінчується випрямляння від’ємної половини синусоїди.

Керування кутом здійснюється двома способами – синхрон-ним і асинхронним. Суть синхронного способу керування в тому, що початок відліку кута керування починається від певної фази напруги живлення, тобто синхронізується з нею. При асинхронному керуванні регулювання інтервалів між імпульсами, які відкривають тиристори, і змінною напругою живлення здійснюється зворотним зв’язком за величиною випрямленої напруги U_d чи струму наванта-ження І_н .

В сучасних СІФК кут задається цифровим кодом, рис. 34.

Рис. 34. Структурна схема цифрової СІФК:

ЗП – задавальний пристрій; Р – регістр; ПК – порівнювач кодів; ЛІ – лічильник

імпульсів; ГІ – генератор прямокутних імпульсів; СП – синхронізуючий пристрій; ПФІ – пристрій формування імпульсів; ПІ – підсилювач імпульсів.

Принцип роботи наступний. Цифровий код кута керування заноситься в регістр Р, з регістра код поступає в порівнювач кодів ПК. При переході синусоїди на анод VS через нуль синхронізуючий пристрій СП вмикає генератор прямокутних імпульсів ГІ і лічильник імпульсів ЛІ. При співпаданні цифрових кодів регістра і лічильника порівнювач кодів виробляє сигнал, який в ПФІ формується в прямокутний імпульс, підсилюється ПІ і подається на керуючий електрод тиристора.