Управляемые выпрямители

Управляемым называют выпрямитель, у которого при неизменном входном напряжении можно регулировать выходное напряжение.

Управлять выходным напряжением можно с помощью переключения витков первичной или вторичной обмоток трансформатора, лабораторным автотрансформатором (ЛАТРом) или введением реостата в цепь тока. Первый способ даёт дискретность регулировки, что не всегда приемлемо, второй – из-за наличия скользящих контактов имеет низкую надёжность, а третий (с помощью реостатов) – низкий КПД. Поэтому используют управляемые вентили, включаемые вместо неуправляемых в схему выпрямления.

В качестве таких вентилей используют тиристоры - четырёхслойные p-n-p-n структуры. На рис.3.43а,б,в приведены соответственно условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора (триака).:

Рисунок 3.43 – Условное обозначение, схема замещения и ВАХ тиристора

В обычном состоянии тиристор заперт. В схеме существует два устойчивых состояния: открытое (точка А) и закрытое (точка В).

Повышение напряжения источника от 0 до Е при Iуэ = 0 приводит к перемещению рабочей точки по нижнему участку характеристики. Если подать импульс тока управления Iуэ достаточный для включения, то р.т. перейдет в точку А и цепь управления перестанет влиять на процессы в анодной цепи тиристора – цепь управления не нужна. Это система с внутренней положительной обратной связью, поэтому тиристоры имеют большой коэффициент усиления по мощности.

Обычно Е всегда меньше напряжения включения «по аноду» (U_amax) на 20…30%. Выключить тиристор можно только путём уменьшения Iа до уровня меньше тока удержания (Iуд), за счёт увеличения Rн или уменьшения Е.

В открытом состоянии тиристоры пропускают большие токи (сотни ампер), но они инерционны, время включения составляет 0,1…10 мкс, а время выключения 1…100 мкс.

Для надёжной работы тиристора нельзя превышать некоторую критичную скорость нарастания анодного напряжения. В противном случае существует опасность ложного включения через паразитные ёмкости p-n переходов. Обычно скорость нарастания анодного напряжения лежит в пределах dUа/dt =10...500 В/мкс и УЭ тиристора шунтируют резистором величиной от 51Ом до 1.5кОм.

Наряду с рассмотренным тиристором имеется группа четырёхслойных приборов с разнообразными свойствами это динисторы, симисторы и запираемые тиристоры. Они приведены на рис. 3.44.

Рисунок 3.44 – Условное обозначение динистора (а), симистора(б)

и запираемого тиристора (в).

У динистора регламентировано напряжение включения по аноду. Это двухэлектродный прибор. Симистор предназначен для работы в цепях переменного тока при этом сигнал управления можно подавать относительно катода или относительно анода. Все названные выше приборы выключаются только путём уменьшения его анодного тока ниже тока удержания.

Однако имеются и так называемые запираемые тиристоры, т.е. путём подачи тока в цепь УЭ обратного направления тиристор может быть выключен. Но при этом коэффициент усиления по выключению на порядок ниже, чем по включению.

Все названные приборы широко используются в устройствах автоматики и источниках питания в качестве регуляторов, стабилизаторов и устройств защиты.

Обычно тиристор ставят в схему выпрямления вместо неуправляемого вентиля. Возьмём однофазный мост (рис.3.45). На этом рисунке - угол включения тиристора (угол относительно точки естественного включения неуправляемого вентиля).

Рисунок 3.45 – Однофазный управляемый мост

Найдём постоянную составляющую напряжения на нагрузке.

Учитывая, что напряжение U₂ гармоническое , то

(3.44) Если в (3.44) принять , то - напряжение на выходе неуправляемого выпрямителя; если , то . Зависимость есть регулировочная характеристика управляемого выпрямителя. Она приведена на рис.3.46 и имеет нелинейный характер.

Рисунок 3.46 – Регулировочная характеристика однофазного

управляемого моста при активной нагрузке

При индуктивной нагрузке, когда ток вентиля имеет прямоугольную форму. На рис.3.47 приведены эпюры для угла включения (рис.3.47а) и

(рис. 3.47б).

Рисунок 3.47 – Эпюры в управляемом выпрямителе с индуктивной нагрузкой

Если угол включения равен нулю , то переход тока с вентиля на вентиль происходит в моменты кратные .

Если , то происходит затягивание тока вентиля из-за ЭДС самоиндукции дросселя цепи нагрузки.

. (3.45)

При этом первая гармоника тока, потребляемого от сети (i₁) сдвигается относительно напряжения на угол включения (). Для исключения затягивания в схему вводят, так называемый, нулевой вентиль , как показано на рис.3.48. В этом случае, при ток через управляемые вентили заканчивается в момент времени (ток замыкается через ), затягивания тока нет и угол сдвига первой гармоники тока i₁ становится равным .

Рисунок 3.48 – Управляемый выпрямитель с индуктивной

нагрузкой и нулевым вентилем

Коэффициент мощности такой схемы выше, но она содержит много вентилей, получилась сложной, поэтому чаще используют несимметричный выпрямитель (рис.3.49).

Рисунок 3.49 – Несимметричный управляемый выпрямитель

Здесь диоды и играют роль нулевого вентиля, поэтому ; асимметрия может быть любой (неуправляемые вентили могут стоять в анодной или в катодной группе или как на рис.3.49).

Тиристоры используют и в вольтодобавочных схемах, которые по сравнению с рассмотренными, имеют более высокий КПД, поскольку преобразуют только часть энергии для нагрузки. Схема выпрямителя с вольтодобавкой приведена на рис.3.50. Здесь минимальное напряжение на выходе

Рисунок 3.50 – Выпрямитель с вольтодобавкой

обеспечивается неуправляемым выпрямителем VD1 и VD2. Повышение напряжения достигается включением тиристоров VS1 и VS2. В максимальном режиме диоды всегда закрыты и угол включения . Такие схемы имеют хорошие энергетические показатели, но требуются дополнительные обмотки на трансформаторе.