Управляемые выпрямители на тиристорах

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 меньше U _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 _Hбез фильтра показана на рис. 123, в. Момент включения тиристора

можно регулировать в пределах положительной полуволны вы­ходного напряжения U₂ 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 _фпереключается 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 I₀.

Выпрямленное напряжение U₀ 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.