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
Для регулировки выходного напряжения в цепях переменного тока с выпрямлением применяют управляемые выпрямители. Наряду с другими способами управления выходным напряжением после выпрямителя, такими как ЛАТР или реостат, управляемый выпрямитель позволяет добиться большего КПД при высокой надежности схемы, чего нельзя сказать ни о регулировании при помощи ЛАТРа, ни о реостатном регулировании.
Использование управляемых вентилей более прогрессивно и гораздо менее громоздко. Лучше всего на роль управляемых вентилей подходят тиристоры.
В исходном состоянии тиристор заперт, а возможных устойчивых состояний у него два: закрытое и открытое (проводящее). Если напряжение источника выше нижней рабочей точки тиристора, то при подаче на управляющий электрод импульса тока, тиристор перейдет в проводящее состояние, а следующие импульсы, подаваемые на управляющий электрод никак не отразятся на анодном токе, то есть цепь управления отвечает только за открывание тиристора, но не за его запирание. Можно утверждать, что тиристоры обладают значительным коэффициентом усиления по мощности.
Для выключения тиристора необходимо снизить его анодный ток, чтобы он стал меньше тока удержания, что достигается путем понижения напряжения питания или увеличением сопротивления нагрузки.
Тиристоры в открытом состоянии способны проводить токи до нескольких сотен ампер, но при этом тиристоры довольно инерционны. Время включения тиристора составляет от 100 нс до 10 мкс, а время выключения в десять раз больше - от 1 мкс до 100 мкс.
Чтобы тиристор работал надежно, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать 10 - 500 в/мкс, в зависимости от модели компонента, иначе может произойти ложное включение за счет действия емкостного тока через p-n переходы.
Чтобы избежать ложных включений, управляющий электрод тиристора всегда шунтируют резистором, сопротивление которого обычно лежит в диапазоне от 51 до 1500 Ом.
Помимо тиристоров для регулирования выходного напряжения в выпрямителях используют и другие : симисторы, динисторы и запираемые тиристоры. Динисторы включаются по напряжению, приложенному к аноду, и имеют они два электрода, как диоды.
Симисторы отличаются возможностью включения управляющими импульсами хоть относительно анода, хоть - относительно катода, однако все эти приборы, как и тиристоры, выключаются снижением анодного тока до значения ниже тока удержания. Что касается запираемых тиристоров, то они могут запираться подачей на управляющий электрод тока обратной полярности, однако коэффициент усиления при выключении в десять раз ниже, чем при включении.
Тиристоры, симисторы, динисторы, управляемые тиристоры, - все эти приборы используются в источниках питания и в схемах автоматики для регулирования и стабилизации напряжения и мощности, а также для целей защиты.
Как правило, в схемы управляемого выпрямления вместо диодов ставят именно тиристоры. В однофазных мостах точка включения диода и точка включения тиристора отличаются, имеет место разность фаз между ними, которую можно отразить рассмотрев угол.
Постоянная составляющая напряжения на нагрузке нелинейно связана с этим углом, поскольку напряжение питания изначально синусоидальное. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке, подключенной после регулируемого выпрямителя может быть найдена по формуле:
Регулировочная характеристика тиристорного управляемого выпрямителя показывает зависимость выходного напряжения на нагрузке от фазы (от угла) включения моста:
На нагрузке индуктивного характера ток через тиристоры будет иметь прямоугольную форму, и при угле больше нуля будет происходить затягивание тока в связи с действием ЭДС самоиндукции от индуктивности нагрузки.
При этом основная гармоника сетевого тока будет сдвинута относительно напряжения на некоторый угол. Чтобы исключить затягивание применяют нулевой диод, через который ток может замыкаться и давать сдвиг меньше в два раза по отношению к углу включения моста.
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 .
При эксплуатации выпрямителей бывает необходимо плавно изменять (регулировать) значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществлять как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока на рис. 13.10, б). Так, во время первого полупериода (/ 0 - Ь) положительное напряжение сети на аноде первого тиристора во время второго полупериода - на аноде второго тиристора УЯ 2 . Отпирающие импульсы напряжения и у[ и и у2 подаются от системы управления с некоторой задержкой на угол а т относительно начал положительных напряжений и 2 и и" 2 .
Рис. 13.10. Однофазный однополупе-риодный выпрямитель на тиристорах: а- схема электрическая; 6- эпюры напряжений и токов
В момент /і открывается тиристор напряжение?/ 0 на нагрузке Я н скачком возрастает, а затем изменяется по кривой фазного напряжения и 2 . В момент / 2 напряжение и 2 спадает до нуля, и тиристор КУі закрывается. В момент / 3 открывается тиристор К? 2 и остается открытым до момента ґ 4 , когда напряжение на его аноде уменьшится до нуля. В интервале времени / 2 - ґ 3 оба тиристора закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю. И так процесс повторяется. Системой управления можно изменять угол управления, время начала работы каждого тиристора, а следовательно, и среднее выпрямленное напряжение и 0 и ток / 0 . При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока повторяет форму кривой выпрямленного напряжения?/о-
В выпрямителях на тиристорах можно плавно регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах.
Однофазная мостовая схема выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 13.11. Здесь управляющее напряжение подается на тиристор от средней точки / вторичной обмотки трансформа
тора 7У у. На второй тиристор ^управляющее напряжение подается с фазосдвигающей цепочки Я 2 С (точки 2). Изменение угла открытия а т осуществляется переменным резистором Я 3 . Диоды VI )з и ИО4 замыкают цепи управления тиристоров.
Процессы в схеме происходят следующим образом. В положительный полупериод управляющего напряжения и у ток управления проходит по цепи: точка /, резистор Я, тиристор УЯ, диод У0 4 , резистор /? 3 , точка 3. Тиристор открывается, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через К$і, нагрузку Я н, диод У И
В отрицательный полупериод управляющего напряжения ток управления проходит по цепи: точка 3, резистор Я 3 , резистор Я 2 , тиристор К$2, диод УО з, точка /. Открывается тиристор У3 2 , и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через УЯ 2 , нагрузку Я и, диод К/) 2 . Обмотки трансформаторов ТУ и 7У у обычно совмещаются на одном сердечнике.
Угол открытия а т изменяется в пределах от 20 до 160°. Такой разброс в пределах регулирования является следствием того, что при синусоидальном напряжении тиристоры имеют большой разброс по времени открывания. Уменьшение разброса регулирования можно осуществить, подавая на управляющий электрод импульсы с крутым передним фронтом. Для этого применяют транзисторные генераторы импульсов.
Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя приведена на рис. 13.12. Регулировка выходного напряжения в трехфазных схемах осуществляется так же, как и в однофазных. Тиристоры открываются управляющими импульсами, а запираются при поступлении на их аноды отрицательного напряжения.
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.
