Управляемые выпрямители на тиристорах

При эксплуатации выпрямительных устройств часто приходится сталкиваться с необходимостью изменения (регулировки) значения выпрямленного напряжения.

Изменение выпрямленного напряжения может осуществляться как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока.

Регулирование выпрямленного напряжения с помощью управляемых  полупроводниковых  вентилей-тиристоров применяется в настоящее время весьма широко, успешно конкурируя с выпрямителями на тиратронах вследствие ряда преимуществ тиристоров перед тиратронами.

Регулирование выпрямленного напряжения тиристором осуществляется изменение угла открытия его от (его называют также “углом отпирания” и “углом управления”), он аналогичен углу зажигания в тиратроне. Управление тиристором может быть амплитудным, фазовым и импульсно-фазовым. Ниже рассматриваются схемы, соответствующие фазовому способу регулирования.

Однополупериодный однофазный управляемый выпрямитель (рис. 4.33). Силовой трансформатор схемы имеет две вторичные обмотки: основную w2, которая служит для питания схемы выпрямителя, и управляющую обмотку wу, благодаря которой создается напряжение управления подаваемое на управляющий электрод тиристора. Угол сдвига по фазе между анодным напряжением U2 и управляющим напряжением или угол открытия  определяется фазорегулятором схемы R1L, где L — дроссель насыщения. Изменяя индуктивность дросселя подмагничивающим током, можно регулировать угол открытия .

Отпирание тиристора происходит в тот момент, когда управляющее напряжение U, становится положительным (рис. 4.33, б, график Uу); запирание тиристора происходит при появлении отрицательного потенциала в аноде тиристора (отрицательный полупериод напряжения (Л). Резистор R2 ограничивает значение тока управления.

  В управляемом выпрямителе, собранном по мостовой схеме (рис. 4.34,а), вторичная обмотка трансформатора управления Tу выполняется с выводом точки 3, от которой управляющее напряжение подается на тиристор VS1. На тиристор VS2. управляющее напряжение подается с фазорегулятора RP, С (с точки 4). Фазовое регулирование, т.е. изменение угла открытия, осуществляется в схеме (рис.4.34, а) переменным резистором RP. Диоды VD3 и VD4 замыкают цепи управления тиристоров.

Схема управления тиристорами работает следующим образом.

  4.33

Рис. 4.33. Однополупериодная однофазная схема выпрямления на тиристоре (а). Диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

 При положительном полупериоде напряжения ток управления идет по цепи: точки 3, резистор R1, тиристор VS1, диод VD4, резистор RP, точка 1.

При отрицательном полупериоде напряжения U, ток управления идет по цепи: точка 1, резистор RP, резистор R2 тиристор VS2, диод VD3, точка 3. Выпрямленный ток протекает в один полупериод напряжения U2 через VS1 и VD1, а во второй полупериод напряжения U2.—через VS2 и VD2 причем диоды VD1, VD2 работают, как в известной мостовой однофазной схеме выпрямления.

Диод VD5, включенный в обратном направлении, устанавливается на входе фильтра (обычно фильтра LC), поскольку при запирании тиристора он замыкает цепь нагрузки в целях реализации ЭДС самоиндукции дросселя, в результате чего уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения и повышается cosj. В маломощных регулируемых выпрямителях VD5 (нулевой диод) можно не применять.

Трансформаторы схемы Т, Ту обычно совмещаются подобно схеме на рис. 4.33,а.

Как видно из регулировочных характеристик для одной двухполупериодной схемы выпрямления (рис.4.34,6, кривые 1 и 2), угол открытия  изменяется в пределах от 20—30 до 150—160°. Такой разброс в пределах регулирования объясняется тем, что при синусоидальной форме напряжения сети у тиристоров имеет место большой разброс по времени открытия их. Для уменьшения указанного разброса и расширения пределов регулирования необходимо подавать на управляющий электрод тиристора импульсы с крутым фронтом. Для этой цели применяют быстродействующие магнитные усилители или генераторы импульсов на транзисторах.

 4.34

  Рис. 4.34. Мостовая однофазная схема выпрямления на тиристорах (а) и регулировочные характеристики (б) (Uox — выпрямленное напряжение холостого хода)

    В схеме двухполупериодного управляемого выпрямителя (рис. 4.35,а) тиристоры управляются прямоугольными импульсами, которые вырабатываются с помощью вспомогательных диодов VD1 и VD2, подключенных, как и основные вентили — тиристоры VS1 и VS2, к вторичной обмотке силового трансформатора. Таким образом, в данной схеме (рис. 4.35,а) существуют две функциональные схемы: схема двухполупериодного выпрямителя на тиристорах VS1 и VS2, аналогичная известной однотипной схеме, и схема управления углом открытия тиристоров , с помощью которой осуществляется фазовое регулирование выпрямленного напряжения; эта схема выполняется на диодах VD1 и VD2, однопереходном транзисторе VT3, на резисторах и конденсаторе схемы.

Работа схемы управления углом открытия может быть пояснена следующим образом. При подключении сетевого напряжения U1 на. выходе диодов VD1 и VD2 появится выпрямленное напряжение uab, форма которого является огибающей положительных полусинусоид напряжения u2 (рис. 4.18,б). С помощью стабилитрона VD3 и балластного резистора R1 это напряжение преобразуется в импульсы прямоугольной формы положительной полярности Uст. Эти импульсы поступают через резистор R4 на базу Б2, а также через переменный резистор R6 на эмиттер однопереходного транзистора VT3, на котором собран релаксационный генератор схемы. Поступающие на эмиттер импульсы заряжают при этом конденсатор С до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения, равного Uэmax (pис. 4.18, б, график ис), причем крутизна экспоненты напряжения Uc при заряде и время заряда конденсатора С зависят от постоянной времени тз=R6 С. Когда напряжение на конденсаторе ис достигнет значения Uэmax транзистор отпирается и конденсатор С быстро разряжается через транзистор и резистор R5, поскольку R5<=R6.

При разряде конденсатора напряжение на нем уменьшается до uc=Umin, при котором транзистор запирается; конденсатор С после появления следующего прямоугольного импульса снова начинает заряжаться и т.д. В цепи базы Б1 транзистора на резисторе R5 создаются положительные импульсы малой длительности (рис. 4.35,б, график Uу), которые являются управляющими для тиристоров; резисторы R2, R3 позволяют подобрать необходимый ток управления.

Как видно из графиков, момент появления управляющих импульсов определяется моментом времени wc t1, при котором Uc=Uэmax, а момент wc t1, в свою очередь, зависит от постоянной заряда конденсатора тз=R6С. Значит, изменяя сопротивление R6, можно сдвигать во времени момент появления управляющего импульса Uу, т.е. изменять угол отпирания  и время работы тиристоров, регулируя таким образом значение тока. iо в нагрузке (рис. 4.35, б). При этом следует сказать, что увеличение r6 приводит к увеличению угла отпирания, вызывая уменьшение напряжения Uo, и тока в нагрузке выпрямителя Rн.

  В многофазных управляемых выпрямителях весьма удобно применять тиристоры, поскольку остальные схемы регулирования громоздки и потребляют значительные мощности.

В трехфазной мостовой схеме управляемого выпрямителя (рис. 4.36), где схемы управления (запуска) показаны условно, выходное напряжение регулируется так же, как и в предыдущих схемах, т. е. тиристоры схемы VS1—VS3 открываются управляющими импульсами, а запираются при отрицательном потенциале анода. Нагрузку индуктивного характера в этой схеме необходимо шунтировать обратным диодом (аналогично схеме на рис. 4.34, а).

  Регулирование на стороне переменного тока выполняется с помощью схем встречно-параллельного и встречно-последовательного включения тиристоров как при питании от однофазной сети (рис. 4.37), так и при питании от трехфазной сети (рис. 4.38,a). При встречно-параллельном включении тиристоров (рис. 4.37,a) каждый из них работает в соответствующую часть периода напряжения сети.

 4.35

Рис. 4.35. Двухполупериодная схема выпрямления на тиристорах (а), диаграммы напряжения и тока в ее цепях (б)

   При встречно-последовательном включении (рис. 4.37, б) каждый тиристор схемы шунтируется обычным диодом, причем тиристор VS1 и диод VD2 проводят ток в один полупериод, а тиристор VS2 и диод VD1 — в другой полупериод переменного напряжения. Запуск тиристоров в схемах рис. 4.37, а и б производится по схеме мостового однофазного выпрямителя (рис. 4.34, а).

 4.36

Рис. 4.36. Упрощенная трехфазная мостовая схема на тиристорах

 

 4.37

Рис. 4.37. Функциональные схемы однофазных выпрямителей с

встречно-параллельным (а) и встречно-последовательным (б) включением регулирующих тиристоров на стороне переменного тока.

 

4.38

Рис. 4.38. Функциональная схема трехфазного выпрямителя на тиристорах (а), схема управления тиристорами выпрямителя (б)

   В трехфазных выпрямителях тиристоры включаются встречно-параллельно в каждую фазу первичной обмотки силового трансформатора (рис.4.38, а), схема управления СУ каждой парой тиристоров включается между соответствующей парой и нулевым проводом, причем необходимо предусмотреть возможность регулирования момента отпирания тиристоров во всех трех фазах.

  Схема управления трехфазным выпрямителем с применением однопереходных транзисторов показана на рис.4.38 сигнал управления в цепи эмиттеров транзисторов поступает от общего источника. Работа этой схемы аналогична работе схемы управления двухполупериодной схемой выпрямителя на тиристорах (рис. 4.35). Изменяя значение сопротивлений схемы, можно регулировать угол отпирания тиристоров схемы, а значит, и значение напряжения на нагрузке.

Применение тиристоров существенно повышает экономичность схемы и значительно уменьшает инерционность систем регулирования.

Недостатки управляемых выпрямителей на тиристорах сводятся к следующим: сложность схем управления, резкое увеличение коэффициента пульсации напряжения на нагрузке.

Взято с сайта http://telecommun.ru