Тиристорные управляемые выпрямители и регуляторы мощности. Управляемые выпрямители: принцип работы, схема, область применения Мостовые схемы регулируемых тиристорных выпрямителей

С целью управления напряжением в сети используются электронные выпрямители. Данные устройства работают путем изменения частоты. Многие модификации разрешается применять в сети переменного тока.

К основным параметрам выпрямителей относится проводимость. Также стоит учитывать показатель допустимого перенапряжения. Для того чтобы более детально разобраться в вопросе, надо рассмотреть схему выпрямителя.

Устройство модификаций

Схема выпрямителя предполагает использование контактного тиристора. Стабилизатор, как правило, применяется переходного типа. В некоторых случаях он устанавливается с системой защиты. Еще имеется множество модификаций на триодах. Работают данные устройства при частоте от 30 Гц. Для коллекторов они неплохо подходят. Также схема выпрямителя включает в себя компараторы низкой проводимости. Чувствительность у них соответствует показателю не менее 10 мВ. Определенный класс устройств оснащается варикапом. За счет этого модификации можно подключать к однофазной цепи.

Как это работает?

Как говорилось ранее, выпрямитель работает за счет изменения частоты. Первоначально напряжение попадает на тиристоры силовые. Процесс преобразования тока осуществляется при помощи триода. Чтобы избежать перегрева устройства, имеется стабилизатор. При появлении волновых помех в работу включается компаратор.

Область применения устройств

Наиболее часто устройства устанавливаются в трансформаторы. Также есть модификации для приводных модулей. Еще не стоит забывать про автоматизированные устройства, которые используются на производстве. В модуляторах выпрямители играют роль Однако в данном случае многое зависит от типа устройства.

Существующие типы модификаций

По конструкции выделяют полупроводниковые, тиристорные и мостовые модификации. В отдельную категорию относят силовые устройства, которые могут работать при повышенной частотности. Двухполупериодные модели для этих целей не подходят. Дополнительно выпрямители отличают по фазе. На сегодняшний день можно встретить одно-, двух- и трехфазные устройства.

Полупроводниковые модели

Полупроводниковые выпрямители замечательно подходят для Многие модификации выпускаются на базе коннекторных конденсаторов. Проводимость на входе у них не превышает 10 мк. Также стоит отметить, что полупроводниковые выпрямители отличаются по чувствительности. Устройства до 5 мВ способны использоваться при напряжении 12 В.

Системы защиты у них применяются класса Р30. Для подключения модификаций используются переходники. При напряжении 12 В параметр перезарузки в среднем равен 10 А. Модификации с обкладками выделяются высоким параметром рабочей температуры. Многие устройства способны работать от транзисторов. Для понижения искажений используются фильтры.

Особенности тиристорных устройств

Тиристорный выпрямитель предназначен для регулировки напряжения в сети постоянного тока. Если говорить про модификации низкой проводимости, то у них используется только один триод. при загрузке в 2 А составляет не менее 10 В. Система защиты у представленных выпрямителей используется, как правило, класса Р44. Также стоит отметить, что модели хорошо подходят для силовых проводников. Как работает трансформатор на тиристорных выпрямителях? В первую очередь напряжение попадает на реле.

Преобразование постоянного тока происходит благодаря транзистору. Для контроля выходного напряжения используются конденсаторные блоки. У многих моделей имеется несколько фильтров. Если говорить про недостатки выпрямителей, то стоит отметить, что у них высокие тепловые потери. При выходном напряжении свыше 30 В, показатель перегрузки значительно снижается. Дополнительно стоит учитывать высокую цену на тиристорный выпрямитель.

Мостовые модификации

Мостовые выпрямители работают при частоте не более 30 Гц. Угол управления зависит от триодов. Компараторы в основном крепятся через диодные проводники. Для силового оборудования модели подходят не лучшим образом. Для модулей применяются стабилизаторы с низкоомным переходником. Если говорить про минусы, то следует учитывать низкую проводимость при высоком напряжении. Системы защиты, как правило, применяются класса Р33.

Многие модификации подключаются через дипольный триод. Как работает трансформатор на этих выпрямителях? Первоначально напряжение подается на первичную обмотку. При напряжении свыше 10 В в работу включается преобразователь. Изменение частоты осуществляется при помощи обычного компаратора. С целью уменьшения тепловых потерь на мостовой управляемый выпрямитель устанавливается варикап.

Силовые устройства

Силовые выпрямители в последнее время считаются очень распространенными. Показатель перегрузки при невысоком напряжении у них не превышает 15 А. Система защиты в основном используется серии Р37. Модели применяются для понижающих трансформаторов. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что устройства выпускаются с пентодами. Они выделяются хорошей чувствительностью, но у них низкий параметр рабочей температуры.

Конденсаторные блоки разрешается применять на 4 мк. Выходное напряжение свыше 10 В задействует преобразователь. Фильтры, как правило, используются на два изолятора. Также стоит отметить, что на рынке имеется множество выпрямителей с контроллерами. Основное их отличие кроется в возможности работы при частоте свыше 33 Гц. При этом перегрузка в среднем соответствует 10 А.

Двухполупериодные модификации

Двухполупериодный однофазный выпрямитель способен работать на разных частотах. Основное преимущество модификаций кроется в высоком параметре рабочей температуры. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что тиристоры силовые используются интегрального типа, и проводимость у них не превышает 4 мк. При напряжении 10 В система в среднем выдает 5 А.

Системы защиты довольно часто применяются серии Р48. Подключение модификаций осуществляется через адаптеры. Также стоит отметить недостатки выпрямителей этого класса. В первую очередь это низкая восприимчивость к магнитным колебаниям. Параметр перегрузки порой может быстро изменяться. При частоте ниже 40 Гц чувствуются перепады тока. Еще эксперты отмечают, что модели не способны работать на одном фильтре. Дополнительно для устройств не подходят

Однофазные устройства

Однофазный управляемый выпрямитель способен выполнять множество функций. Устанавливают модели чаще всего на силовые трансформаторы. При частоте 20 Гц параметр перегрузки в среднем не превышает 50 А. Система защиты у выпрямителей используется класса Р48. Многие эксперты говорят о том, что модели не боятся волновых помех и отлично справляются с импульсными скачками. Есть ли недостатки у моделей данного типа? В первую очередь они касаются низкого тока при высокой загруженности. Чтобы решить эту проблему, устанавливаются компараторы. Однако стоит учитывать, что они не могу работать в цепи переменного тока.

Дополнительно периодически возникают проблемы с проводимостью тока. В среднем данный параметр равен 5 мк. Понижение чувствительности сильно влияет на работоспособность триода. Если рассматривать однофазные неуправляемые выпрямители, то обкладки у них используется с переходником. У многих моделей имеется несколько изоляторов. Также стоит отметить, что выпрямители данного типа не подходят для понижающих трансформаторов. Стабилизаторы чаще всего применяются на три выхода, и предельное напряжение у них не должно превышает 50 В.

Параметры двухфазных устройств

Двухфазные выпрямители производятся для цепей постоянного и переменного тока. Многие модификации эксплуатируются на триодах контактного типа. Если говорить про параметры модификаций, то стоит отметить малое напряжение при больших перегрузках. Таким образом, устройства плохо подходят для силовых трансформаторов. Однако преимуществом устройств считается хорошая проводимость.

Чувствительность у моделей стартует от 55 мВ. При этом тепловые потери незначительные. Компараторы применяются на две обкладки. Довольно часто модификации подключают через один переходник. При этом изоляторы предварительно проверяются на выходное сопротивление.

Трехфазные модификации

Трехфазные выпрямители активно применяются на силовых трансформаторах. У них очень высокий параметр перегрузки, и они способны работать в условиях повышенной частотности. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что модели собираются с конденсаторными блоками. За счет этого модификации разрешается подключать к цепи постоянного тока и не бояться про волновые помехи. Импульсные скачки блокируются за счет фильтров. Подключение через переходник осуществляется при помощи преобразователя. У многих моделей имеется три изолятора. Выходное напряжение при 3 А не должно превышать 5 В.

Дополнительно стоит отметить, что выпрямители этого типа используются при больших перегрузках сети. Многие модификации оснащаются блокираторами. Понижение частоты происходит при помощи компараторов, которые устанавливаются над конденсаторной коробкой. Если рассматривать релейные трансформаторы, то для подключения модификаций потребуется дополнительный переходник.

Модели с контактным компаратором

Управляемые выпрямители с контактным компаратором в последнее время пользуются большим спросом. Среди особенностей модификаций стоит отметить высокую степень перегрузки. Системы защиты в основном применяются класса Р55. Работают устройства с одной конденсаторной коробкой. При напряжении 12 В выходной ток равен не менее 3 А. Многие модели способны похвастаться высокой проводимостью при частоте 5 Гц.

Стабилизаторы довольно часто применяются низкоомного типа. Они хорошо себя показывают в цепи переменного тока. На производстве выпрямители применяются для работы Допустимый уровень проводимости у них равен не более 50 мк. Рабочая температура в данном случае зависит от типа динистора. Как правило, они устанавливаются с несколькими обкладками.

Устройства с двумя компараторами

Электронные выпрямители с двумя компараторами ценятся за высокий параметр выходного напряжения. При перегрузке в 5 А модификации способны работать без тепловых потерь. Коэффициент сглаживания у выпрямителей не превышает 60 %. Многие модификации обладают качественной системой защиты серии Р58. В первую очередь она призвана справляться с волновыми помехами. При частоте 40 Гц устройства в среднем выдают 50 мк. Тетроды для модификаций используются переменного типа, и чувствительность у них равна не более 10 мВ.

Есть ли недостатки у выпрямителей данного типа? В первую очередь надо отметить, что их запрещается подключать к понижающим трансформаторам. В сети постоянного тока у моделей малый параметр проводимости. Рабочая частотность в среднем соответствует 55 Гц. Под однополюсные стабилизаторы модификации не подходят. Чтобы использовать устройства на силовых трансформаторах, применяется два переходника.

Отличие модификаций с электродным триодом

Управляемые выпрямители с электродными триодами ценятся за высокий параметр выходного напряжения. При низких частотах они работают без тепловых потерь. Однако стоит учитывать, что параметр перегрузки в среднем равен 4 А. Все это говорит о том, что выпрямители не способны работать в сети постоянного тока. Фильтры разрешается применять лишь на две обкладки. Выходное напряжение, как правило, соответствует 50 В, а система защиты используется класса Р58. Для того чтобы подключить устройство, применяется переходник. Коэффициент сглаживания у выпрямителей данного типа составляет не менее 60 %.

Модели с емкостным триодом

Управляемые выпрямители с емкостным триодом способны работать в сети постоянного тока. Если рассматривать параметры модификаций, то можно отметить высокое входное напряжение. При этом перегрузка при работе не будет превышать 5 А. Система защиты используется класса А45. Некоторые модификации подходят для силовых трансформаторов.

В данном случае многое зависит от конденсаторного блока, который установлен в выпрямителе. Как утверждают эксперты, номинальное напряжение многих модификаций составляет 55 В. Выходной ток в системе составляет 4 А. Фильтры для модификаций подходят переменного тока. Коэффициент сглаживания у выпрямителей составляет 70 %.

Устройства на базе канального триода

Управляемые выпрямители с канальными триодами отличаются высокой степенью проводимости. Модели данного типа замечательно подходят для понижающих трансформаторов. Если говорить про конструкцию, то стоит отметить, что модели всегда производятся с двумя коннекторами, а фильтры у них используются на изоляторах. Если верить экспертам, то проводимость при частоте 40 Гц сильно не меняется.

Есть ли недостатки у данных выпрямителей? Тепловые потери являются слабой стороной модификаций. Многие эксперты отмечают низкую проводимость коннекторов, которые устанавливаются на выпрямители. Чтобы решить проблему, применяются кенотроны. Однако их не разрешается использовать в сети постоянного тока.

Отличие модификаций

Выпрямители на 12 В используются только для понижающих трансформаторов. Компараторы в устройствах устанавливаются с фильтрами. Предельная перегрузка модификаций составляет не более 5 А. Системы защиты довольно часто применяются класса Р48. Для преодоления волновых помех они замечательно подходят. Еще часто применяются преобразовательные стабилизаторы, у которых высокий коэффициент сглаживания. Если говорить про недостатки модификаций, то стоит отметить, что выходной ток в устройствах составляет не более 15 А.

Функциональная схема тиристорных выпрямителей для дуговой сварки в обобщенном и упрощенном виде показана на рис. 19.13 . Отличительным элементом в приведенной схеме является наличие тиристорного выпрямительного блока. Это дает возможность использовать его в качестве регулятора тока РТ. Благодаря сдвигу по времени управляющего импульса (см. рис. 19.3, б ), подаваемого на тиристорный блок, формируют вольт-амперную характеристику выпрямителя и осуществляют его настройку на заданный режим непрерывной или импульсной работы. Для этих целей в схеме источника предусмотрен блок фазоимпульсного управления БФИУ. Через этот же блок замыкаются и обратные связи от дуги на регулятор тока.

Тиристорные выпрямители , как правило, отличаются высокой стабилизацией по напряжению и току дуги при изменениях напряжения питающей сети, длины дуги и температуры окружающей среды.

Рис. 19.13. Функциональная схема выпрямителей дуги с тиристорными регуляторами тока

Получили широкое распространение выпрямители типа ВСВУ-ВСП и ВДУ-ВДГ. В настоящее время это основные выпрямители для дуговой сварки.

В выпрямителях типа ВСВУ - ВСП принцип фазорегулировки заключается в формировании пилообразного напряжения U c , сравнении его с напряжением управления U у и последующем формировании прямоугольных импульсов. На рис. 19.14 приведена карта напряжений блока формирования импульсов управления. Невысокие значения напряжения управления U y = min (вариант а) обеспечивают открытие тиристоров в силовом блоке при α = max. При этом реализуются минимальные выходные параметры источника. Максимальные значения напряжения управления U у = max (вариант б) соответствуют минимальным углам открытия тиристоров α = min и, соответственно, максимальным выходным параметрам.

Рис. 19.14. Карта напряжений блока формирования импульсов: Uc - пилообразное напряжение; Uу - напряжение управления; U0 - напряжение нс тиристорах

По принципу «вертикального управления» тиристорами разработаны широко известные, выпускаемые в больших количествах выпрямители для дуговой сварки с крутопадающими (серия ВСВУ) и пологопадающими (серия ВСП) вольт-амперными характеристиками. Единая принципиальная электрическая схема этих источников реализована в виде унифицированных блоков.

Принципиальная упрощенная электрическая схема источников питания типа ВСВУ приведена на рис. 19.15, а . Трехфазный трансформатор Т имеет одну первичную обмотку W 1 и две вторичные обмотки W 2 и W 2в. Обмотка W 2 подключена к тиристорному выпрямителю V (RT), выполняющему функции регулятора тока и имеющему нологопадающую вольт-амперную характеристику. От вторичной обмотки W 2в, напряжение подводится к диодному выпрямительному блоку V в, образующему вспомогательный источник питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой с помощью линейных дросселей L B . Вспомогательный источник предназначен для зажигания дуги, сварки на малых токах, обеспечивает сигналы обратной связи и др. В процессе сварки дуга питается одновременно от обоих источников. Совмещение двух источников позволило существенно снизить напряжение холостого хода основного источника и сформировать крутопадающие внешние характеристики в области рабочих токов (рис. 19.15, б ).

Рис. 19.15. Источники серии ВСВУ: а - принципиальная электрическая схема; б - вольт-амперные характеристики

Источники питания типа ВСП предназначены для механизированной сварки плавящимся электродом. В связи с этим на блок формирования импульсов поступают сигналы с блока регулирования тока и напряжения. Типовые вольт-амперные характеристики источников серии ВСП приведены на рис. 19.16 . В диапазоне 30-60 В напряжение регулируется плавно. Для улучшения динамических свойств характеристики изменяют угол ее наклона.

Рис. 19.16. Вольт-амперные характеристики источников серии ВСП

В выпрямителях типа ВДУ блок фазоимпульсного управления тиристорами состоит из трех основных элементов (рис. 19.17, а ):

· Узла формирования шестифазного синусоидального напряжения (7);

· узла формирования постоянного напряжения управления (2);

· узла формирования и усиления управляющих сигналов (3).

Рис. 19.17. Схемы управления тиристорами: а - электрическая; б - формирования положительного сигнала

Напряжение управления Uу представляет собой сумму двух встречновключенных постоянных напряжений: напряжения смещения Uсм и регулируемого напряжения задания U3.

Напряжение смещения служит для стабилизации выходных параметров выпрямителя при колебаниях напряжения сети. Регулируемое напряжение задания представляет собой часть стабилизированного напряжения и изменяется резистором. На рис. 19.17, б показано формирование положительного сигнала, подаваемого на вход узла усиления, и формирование сигнала управления тиристорами при двух различных напряжениях задания U 3l и U 32 . При изменении U 3 меняются фаза и длительность положительного гш нала на входе узла усиления (α 1 и α 2), что приводит к изменению угла открытия тиристоров и регулированию режима работы источника.

Принципиальная электрическая схема выпрямителей для дуговой сварки типа ВДУ приведена на рис. 19.18, а . Трансформатор Т имеет две вторичные обмотки, соединенные в две обратные звезды через уравнительный реактор L yp . Тиристоры V 1 - V 6 включены в каждую фазу вторичных обмоток. Линейный дроссель L сглаживает пульсации выпрямленного тока и формирует динамические свойства источника. В качестве датчика тока использован магнитный усилитель МУ. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резистора R oc . Внешние типовые вольт-амперные характеристики рассматриваемых выпрямителей приведены на рис. 19.18, б .

Рис. 19.18. Выпрямители типа ВДУ: а - принципиальная электрическая схема; б - вольт-амперные характеристики.

8. Тиристорные усилители с фазоимпульсным управлением

При этом способе управления в качестве управляющего сигнала используются импульсы, длительность которых, как правило, не превышает полупериода питающего напряжения. Учитывая, что время включения тиристора мало, для управления им используют обычно кратковременные импульсы длительностью от нескольких единиц до сотен микросекунд. Амплитуда управляющих импульсов тока должна превышать ток управления спрямления I У.С.

Изменяя фазу управляющих импульсов в пределах 0<α<π, регулируют напряжение в нагрузке от максимального значения до нуля. При этом методе управления полностью исключается влияние разброса входных параметров тиристора, температуры окружающей среды и p-n переходов, а также формы питающего напряжения на характеристики вход-выход усилителя. К достоинствам фазового метода управления следует отнести также малые потери в управляющем переходе тиристора благодаря кратковременности управляющего импульса. Этот метод получил наибольшее распространение в тиристорных усилителях любой мощности.

12.4. Принцип работы выпрямителей на тиристорах.

Внешние характеристики выпрямителей имеют вид падающей кривой (см. рис. 12.6), поэтому увеличение тока нагрузки вызывает снижение выходного напряжения. В то же время для питания многих устройств систем управления (электродвигателей, усилителей и т. д.) требуется поддержание выходного напряжения на заданном уровне независимо от значения тока нагрузки. Для этого используют управляемые (регулируемые) выпрямители с применением тиристоров, транзисторов и других управляющих приборов. Внешняя, характеристика таких выпрямителей показана на рис. 12.6 штрихпунктиром и близка к идеальной.

Сущность работы тиристорного управляемого выпрямителя рассмотрена на примере простейшей однополупериодной схемы (рис. 12.7, а). Схема управления тиристора VS обеспечивает изменение момента его включения, что способствует поддержанию на заданном уровне среднего значения напряжения на нагрузке, при различных значениях тока нагрузки. В случае активной нагрузки R н тиристор VS автоматически выключается в тот момент времени, когда его анодное напряжение приближается к нулю. Таким образом, при включающем тиристор сигнале, оцениваемом углом включения, прибор работает в режиме переключателя с временем включения

где Т - период колебания входного напряжения u(t).

Например, при α =0 время

и тиристор VSполностью открыт в течение положительных полуволн питающего напряжения.

что соответствует уменьшению времени t u 1 включения тиристора на 1/4, т.е. на 25%, и т.д.

Для пояснения механизма управления тиристорной схемой на рис. 12.7, б, в, г приведены временные диаграммы напряжений на нагрузке. При наименьшем угле включения тиристора α =0 (рис. 12.7, б) среднее напряжение на нагрузке имеет максимальное для однополупериодной схемы (рис. 12.7, а) значение, равное

Если в режиме минимальной нагрузки (R н велико,I н.ср мало) обеспечить, например, угол α =π/2 (рис. 12.7, г), а затем по мере повышения нагрузки уменьшать угол α (рис. 12.7, в), то можно получить неизменное значениеU н.ср за счет компенсации возрастания значения ∆U ср [см. (12.11)]. Такой принцип управления тиристорным выпрямителем называют фазоимпульсным (вертикальным) и широко используют в тиристорных преобразователях различного назначения.

Рис. 12.7. Однополупериодный выпрямитель с тиристором: а - схема (УЭ - управляющий электрод); б, в, г - временные диаграммы выпрямленного напряжения при различных углах включения тиристора

Схемы управления тиристором должны генерировать управляющие импульсы в заданные моменты времени, соответствующие требуемым значениям угла. При этом для надежной работы тиристора необходимы кратковременные импульсы с большой крутизной переднего фронта. Устройство, обеспечивающее регулирование угла включения тиристора, называют фазовращателем. Фазовращатели легко получить, используя комбинацию трансформатора с R- и L-элементами. Однако из-за низкой крутизны формируемого ими управляющего сигнала они не находят применения в тиристорных схемах. Наиболее пригодны для указанных целей полупроводниковые фазовращатели со встроенными пик-генераторами на динисторах (диодных тиристорах).

Простейшая схема пик-генераторного управления тиристором VS1 приведена на рис. 12.8, а. Она состоит из динисторного автогенератора релаксационных колебаний (параллельно включенные конденсатор Су и динистор VS2), служащего одновременно и формирователем кратковременных импульсов управления тиристором VS1 благодаря использованию резистора R у в анодной цепи динистора VS2.

В момент положительных полуволн питающего напряжения u(t) начинается заряд конденсатора С у через регулировочный резистор R р. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение u C (t) на конденсаторе не достигнет значения U вкл, достаточного для переключения динистора VS2, т. е.

С этого момента t=t 1 (рис. 12.8, б) динистор переходит в режим насыщения (проводящее состояние), характеризующийся чрезвычайно низким значением его выходного сопротивления. В результате этого конденсатор С у разряжается через динистор VS2 и резистор R у, формируя кратковременный импульс тока i у (рис. 12.8, в) в управляющей цепи тиристора VS1. Окончание времени разряда обусловливается снижением напряжения на динисторе до значения U выкл, т. е. моментом времени t=t 2 (рис. 12.8, б). В этот момент происходит обратное переключение динистора в состояние отсечки. Конденсатор С у, вновь получает возможность заряжаться под действием следующей полуволны питающего схему напряжения u(t). При изменении сопротивления резистора R р (рис. 12.8, а) меняются параметры зарядной цепи (τ з =R р С у), а потому наблюдается сдвиг импульсов управления i у во времени (рис. 12.8, в). Это позволяет менять угол включения тиристора, обеспечивая таким образом фазоимпульсный способ управления выходным напряжением (см. рис. 12.7).

Рис. 12.8. Схема пик-генераторного управления тиристором (а); временные диаграммы напряжения на конденсаторе (б) и тока управления тиристором (в)

Рассмотренный принцип управления тиристором можно использовать как для однофазных, так и многофазных выпрямительных устройств.

В выпрямителях с трансформаторами на входе регулирование напряжения на нагрузке можно осуществлять тиристорами, включенными во входную цепь переменного тока, как показано на рис. 12.9. Такие схемы весьма перспективны для выпрямителей, использующих понижающие трансформаторы, поскольку при U 1 >>U 2 имеем I 1 <

Рис. 12.9. Схема двухполупериодного тиристорного управления выпрямителем

Схема управления тиристором

На пятом графике временной диаграммы изображено напряжение, действующее на тиристор. При a = 0 к тиристору приложено только обратное напряжение U b. max , которое достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и зависит от схемы выпрямителя (см. лекцию 3). Для рассматриваемого выпрямителя

. (15.2)

При a > 0 к тиристору, кроме обратного напряжения U b. max , прикладывается прямое напряжение U a , которое можно определить по формуле

Максимальной амплитуды U a. max = U 2 m прямое напряжение достигает при a = 90 0 . Для нормальной работы схемы должно выполняться условие U a. max < U вкл, чтобы тиристор не смог самопроизвольно (без подачи импульса управления) открыться.

При поступлении на тиристор отрицательной полуволны синусоиды он автоматически закрывается, и остаётся закрытым до поступления очередного импульса управления.

Рассмотрим теперь энергетические характеристики управляемого выпрямителя. Расчетные мощности обмоток S1, S2 и типовую мощность трансформатора S T определяют при a = 0, исходя из параметров неуправляемого режима.

В связи с тем, что при изменении угла регулирования a происходит сдвиг во времени первой гармоники потребляемого из сети тока i 1(1) относительно питающего напряжения, управляемый выпрямитель потребляет из сети реактивную мощность даже при чисто активной нагрузке. Угол сдвига первой гармоники тока питающей сети i 1(1) относительно питающего напряжения

, (15.4)

где- амплитуда косинусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i 1 ;

Амплитуда синусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i 1 .

Действующее значение первой гармоники тока в первичной обмотке трансформатора

Коэффициент искажения формы тока

. (15.6)

Коэффициент мощности выпрямителя

, (15.7)

то есть с ростом угла регулирования коэффициент мощности снижается.

Управляемые выпрямители можно выполнить и по двухполупериодной, и по мостовой схемам. В этих схемах выходное напряжение в зависимости от a также определяется выражением (15.1), только U d0(a = 0) = 0,9×U 2 .

Широкое применение тиристоров при регулировании напря­жения объясняется следующими их преимуществами по сравне­нию с рассмотренными ранее схемами:

Большая экономичность вследствие малого падения напряжения в проводящем состоянии (около 2 В);

Высокая скорость регулирования, позволяющая обеспечить стабилизацию выпрямленного напряжения и осуществить защиту выпрямителя от перегрузок и коротких замыканий;

Меньшая необходимая мощность управления;

Меньшие габаритные размеры и масса.

Управляемые вентили - тиристоры - могут находиться в двух крайних состояниях (рис. 122, а): открытом (участок ВС) и …
закры­том (участок 0А). Момент включения тиристора можно регулиро­вать, подавая управляющий импульс тока на р-п -переход, приле­гающий к катоду (рис. 122, б). Ток нагрузки, проходя через от крытый тиристор, смещает все три

Рис. 122. Вольтамперная характеристика тиристора (а), его структура, (б) и условное графическое обозначение (в): Iу - ток управления; А - анод; К - катод: УЭ - управляющий электрод/

Рис. 123. Структурная схема управляемого выпрямителя (и), принципи­альная схема простейшего РВБ (б) и диаграммы напряжений на его входе и выходе (в)

eго р-п -перехода в прямом направлении, и управляющий электрод (УЭ) теряет влияние на процессы, происходящие в тиристоре. При падении прямого тока до нуля после рассасывания заряда неосновных носителей в базо­вых областях тиристор запирается и его управляющие свойства восстанавливаются. Условное графическое обозначение тиристо­ра приведено на рис. 122, в.

На рис. 123,а приведена структурная схема управляемого вы­прямителя на управляемых вентилях.

Принципиальным отличием схемы управляемого выпрямите­ля (УВ) от неуправляемого является наличие в ней регулируемого вентильного блока (РВБ) и устройства управления (УУ), регули­рующего напряжение сети. Простейшая схема РВБ на одном ти­ристоре VS приведена на рис. 123, б. Следует напомнить, что для включения тиристора необходимо выполнение следующих усло­вий: напряжение на его аноде должно быть положительным, но меньшеU ПР.ВКЛ. , а к управляющему электроду (УЭ) должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпи­рающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения U 2 , а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подводится отпирающий (уп­равляющий) положительный импульс напряжения U y .

В момент прихода управляющего импульса, соответствующего углу отпирания а, тиристор теряет управляющие свойства, поэто­му, когда напряжение на аноде станет равным нулю, произойдет его выключение. Форма напряжения на резистивной нагрузке R H без фильтра показана на рис. 123, в. Момент включения тиристора

Можно регулировать в пределах положительной полуволны вы­ходного напряжения U 2 трансформатора, т.е. в диапазоне 0 ≤α≤π. При этом если тиристор включается при α = 0, то среднее выпрямленное напряжение нагрузки U Н.С.В. =0. Такой способ уп­равления тиристором называется фазоимпульсным.

В рассмотренной схеме управляемого выпрямителя пульсации напряжения нагрузки довольно большие, поэтому для их умень­шения необходимо включить сглаживающий фильтр. Следует от­метить, что в тиристорных управляемых выпрямителях использу­ют фильтры, начинающиеся с дросселя, так как при подключе­нии сразу емкостного фильтра заряд конденсатора через открыв­шийся тиристор может сопровождаться большим током, который может вывести тиристор из строя.

Рассмотрим работу схемы двухфазного управляемого выпря­мителя (рис.124, а) с индуктивно-емкостным фильтром. В этой схеме возможны два режима работы: без блокировочного диода (VD) и с блокировочным диодом. Различие этих режимов заклю­чается в способе выключения тиристоров.

Рис. 124. Схема двухфазного управляемого выпрямителя (а ), временные диаграммы напряжений на входе и выходе (б) и регулировочные кри­вые (в): 1 - без диода VD ; 2 - при наличии диода VD.

Работа выпрямителя без блокировочного диода происходит следующим образом. С поступлением управляющего импульса тиристор VS1 включается с углом отпирания α. На выход выпря­мителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки U’ 2 . При t ≥ п напряжение U’ 2 изменяет полярность на отрицатель­ную, но тиристор VS1 не закрывается, так как через него прохо­дит ток дросселя фильтра L ф, и напряжение самоиндукции обес­печивает его открытое состояние.

При t = α + п включается тиристор VS2, который передает на выход напряжение U" 2 второй фазы вторичной обмотки, В этом случае ток дросселя фильтра L ф переключается на вторую фазу, а тиристор VS1 закрывается. Напряжения на выходе выпрямителя U o и нагрузке U H показано на рис. 124, б (заштрихованные обла­сти).

При достаточно большом значении L ф = R H /ωугол включения тиристоров можно регулировать от нуля до π/2, как показано на рис. 124, в (кривая 1при L =∞).

Напряжение нагрузки растет с уменьшением угла α и умень­шается при его увеличении.

При работе выпрямителя с блокировочным диодом VD тири­сторы VS 1и VS 2выключаются, когда напряжение на его аноде становится равным нулю. При этом протекание тока в дросселе фильтра не прерывается из-за включения диода VD.

В результате часть периода от πдо π+ α ток в дросселе (а зна­чит, и в нагрузке) проходит через диод VD, и напряжение на вы­ходе выпрямителя не изменяет полярности, как показано на рис. 124, б.

Угол α отпирания тиристора в схеме с диодом VD можно ре­гулировать от нуля до π, как показано на рис. 124, в (кривая 2 при L = 0).

При одинаковом угле отпирания тиристоров в схеме без бло­кировочного диода напряжение на нагрузке меньше, чем в схеме с блокировочным диодом, так как в течение части периода повто­рения входного напряжения на его выход передается отрицатель­ное напряжение.

Мостовой управляемый выпрямитель. Мостовой выпрямитель можно построить с меньшим (чем четыре) числом тиристоров, так как для обеспечения управления достаточно включить в каж­дую из двух последовательных цепей, состоящих из двух диодов, один диод управляемый, а другой - неуправляемый (рис. 125, а), Применение двух управляемых диодов вместо четырех (см. рис. 124) позволяет упростить схему управления и удешевить стоимость вен­тильной группы.

Рассмотрим работу схемы мостового выпрямителя, в которой одновременно работают тиристор VS1 и вентиль VD2 или тирис­тор VS2 и вентиль VD 1. Временные диаграммы напряжений и то-

Рис. 125. Мостовая схема управляемого выпрямителя (а) и временные диаграммы напряжений и токов в этой схеме (б)

ков при работе такой схемы на индуктивную нагрузку показаны на рис. 125, 6.

В момент времени t 1на управляющий электрод тиристора VS 1подается импульс управления, открывающий его. В интервале вре­мени от t 1 до t 2ток протекает через тиристор VS 1и вентиль VD,. и напряжение на выходе выпрямителя повторяет входное напря­жение U 2. В момент времени t 3 напряжение U 2изменяет свою полярность, и вентиль VD 2запирается, а вентиль VD 1открывает­ся. Переключения тиристоров в этот момент времени произойти не может, так как на управляющий электрод тиристора VS2 не поступает импульс управления. В итоге в течение периода време­ни от t 2до t 3 открыты тиристор VS 1и вентиль VD2 и через них протекает ток нагрузки I 0 .

Выпрямленное напряжение U 0 в этом интервале времени рав­но нулю (так как выход выпрямителя закорочен), а ток нагрузки поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L. В мо­мент времени t 3за счет управляющего импульса открывается ти­ристор VS2, а тиристор VS 1 запирается, так как на него при этом подается обратное напряжение.

В интервале времени от t 3до t 4ток проводят и тиристор VS 2, и вентиль VD 1, а напряжение на выходе выпрямителя U 0 анало­гично входному напряжению U 2, но с противоположным зна­ком,

В момент времени U вновь происходит коммутация тока в группе неуправляемых вентилей: запирается вентиль VD1 и открывается вентиль VD2.

В интервале времени от t4 до t5 тиристор VS2 и вентиль VD1 открыты, напряжение на выходе выпрямителя U0 = 0, а ток на­грузки Iо поддерживается неизменным за счет энергии, запасен­ной в дросселе. В интервале времени от t5 до t6 процессы идентич­ны процессам в интервале от t1 до t2.

Как видно из рис. 125, б, временная диаграмма выпрямленного напряжения U0 в этой схеме такая же, как и в схеме выпрямителя с активной нагрузкой.

УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК

Вторичные источники питания часто снабжают устройствами электронной защиты (УЗ) от перегрузоки короткого замыкания. Такие устройства включают в себя следующие элементы: датчик контролируемой величины (тока, напряжения или температуры); пороговое устройство (ПУ) или схему сравнения; исполнительное устройство (ИУ). Чаще всего требуется защита источников пита­ния от перегрузки. В этом случае, когда значение тока превысит допустимое, включается пороговое устройство и приводит испол­нительный механизм в состояние отключения нагрузки.

Устройства зашиты выполняются с автоматическим повторным включением питании после некоторого времени или с ограниче­нием мощности, отдаваемой нагрузке.

Схема устройства защиты от перегрузок по току (и потребля­емой мощности) показана на рис. 126. Устройство работает следу­ющим образом. Напряжение с вторичной обмотки трансформато­ра тока ТА, используемого в качестве преобразователя тока, вып­рямляется диодом VD1 и сглаживается фильтром R 7, С1. Перемен­ный резистор R1 используется для регулировки порога срабатыва­ния. В качестве порогового устройства используется логический элемент DD1.1, выполненный по КМОП-технологии. Уровни сра­батывания таких элементов стабильны и близки к половине на­пряжения питания микросхемы. При повышенном токе нагрузки после срабатывания элемента DDL ] запускается ждущий мульти­вибратор на основе логических элементов DD1.2 и DD1.3 (одно-вибратор), который формирует отрицательное выходное напря­жение, отключающее (или запирающее) цепь питания нагрузки. Через некоторое время, определяемое временем разряда конден­сатора С2 через резистор R3, одновибратор переключается в ис­ходное (ждущее) состояние с формированием на выходе скачка положительного напряжения. Это напряжение соответствует сиг­налу включения питания нагрузки или восстановлению нормаль­ного рабочего состояния источника питания.

Рис. 126. Электрическая схема устройства защиты от перегрузок по току с автоматическим восстановлением рабочего состояния источника питания

Аналогично работают устройства защиты от повышения на­пряжения и температуры, т.е. при скачке температуры или напря­жения соответствующий сигнал подается на логический элемент DD1.1, который запускает одновибратор, отключающий питание на определенное время.

В заключение необходимо отметить, что выбор схемы вторично­го источника питания и параметров

ее элементов определяется уров­нем требований к коэффициенту стабилизации напряжения и мощ­ностью, необходимой для питания электронной аппаратуры. Для очень мощной аппаратуры (1… 100 кВт - звуковая аппаратура кон­цертных залов, радиостанции и т. п.), а также на транспортных сред­ствах с управляемым приводом требования к стабильности напряже­ния ниже. В них используются мощные выпрямительные установки для трехфазного напряжения с использованием тиристоров.