Основные теоретические сведения. 3.1. Управляемый выпрямитель

3.1. Управляемый выпрямитель

В исследуемой схеме однофазного выпрямителя с регулированием среднего значения выпрямленного напряжения использованы управляемые вентили – тиристоры.

Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). При включении такого прибора в цепь переменного тока он открывается, пропуская ток в нагрузку только тогда, когда мгновенное значение напряжения достигает определенного уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод (УЭ).

Напряжение, при котором тиристор открывается, называется напряжением переключения U_пер. Практическое применение нашел режим отпирания по управляющему электроду, т.е. за счет подачи на управляющий электрод отпирающего импульса напряжения.

Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру (рис.1) p-n-p-n -типа с тремя p-n -переходами (П1,П2,П3). В этой структуре р₁ –слой выполняет функцию анода, а n₂ –слой – катода. Управляющий электрод связан с р₂ –слоем структуры. К аноду и катоду подключается источник внешнего напряжения Е, а управляющий электрод подключен к внешнему источнику управляющего напряжения Е_у, как показано на рис.1.

На рис.2 приведена вольтамперная характеристика тиристора. В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания Е меньше напряжения переключения тиристора U_пер. При Е > 0 рабочая точка тиристора расположена на прямой ветви вольтамперной характеристики о-в.

Рисунок 1 – Полупроводниковая структура тиристора

Рисунок 2 – Вольтамперная характеристика тиристора

Через нагрузку и тиристор протекает малый ток, соответствующей рабочей точке на этом участке ветви. В требуемый момент времени подается импульс управления Е_у, задающий необходимый для отпирания тиристора импульс тока управления (I_у1 или I_у2). Тиристор открывается, и рабочая точка переходит на ветвь г-д. Ток через тиристор и нагрузку определяют из соотношения

,

где U_a- падение напряжения на тиристоре, определяемое рабочей

точкой на ветви г-д.

Задачу определения токов и напряжений удобно решать графически, построив линию, проходящую через точки с координатами (0; Е/R_н) и (Е; 0). Координаты точек пересечения этой линии с вольтамперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состоянии. Участок 0-а на рис.2 представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики тиристора.

Восстановление отпирающих свойств тиристора осуществляется за счет приложения к нему обратного напряжения.

3.2. Однофазные управляемые выпрямители

Для большинства потребителей выпрямители должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Это достигается применением управляемых выпрямителей. Управляемым называется выпрямитель, содержащий управляемые вентили и позволяющий регулировать величину выпрямленного напряжения. Наиболее широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя.

Рассмотрим принцип работы однофазного выпрямителя на примере схемы с нулевым выводом при активной нагрузке (рис.3, а; ключ К замкнут). Вентильными элементами в этой схеме являются тиристоры. Режиму активной нагрузки соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис.3, б-д.

Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения сети. На интервале 0÷υ тиристоры Т1 и Т2 закрыты (на Т1 действует напряжение в прямом направлении, а на Т2 - в обратном) напряжение u_d равно нулю (см.рис.3, д). В момент времени υ₁, определяемый углом a (угол a, отсчитываемый от точки естественного отпирания вентилей и выраженный в градусах, называют углом управления) от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1 (рис.3, в). Тиристор отпирается и подключает нагрузку R_н на напряжение u_2-1=u₂ вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале υ₁÷p формируется напряжение u_d (см. рис.3, г), представляющее собой участок кривой напряжения u_2-1=u₂. Через нагрузку протекает ток i_d=i_a1=u_d/R_н (см.рис.3, д). При переходе напряжения питания через нуль (υ = p) ток тиристора Т1 становится равным нулю, тиристор закрывается.

Следующий интервал υ₂÷p=a характеризуется изменением полярности напряжения питания на противоположную. На этом интервале оба тиристора закрыты. К тиристору Т1 прикладывается обратное напряжение, а к тиристору Т2 – прямое (см. рис.3, г). По окончанию указанного интервала подается отпирающий импульс на тиристор Т2. Далее процесс повторяется.

Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к тиристору в закрытом состоянии U_вm=2 U₂.

Рисунок 3 – Схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевой точкой и его временные диаграммы при чисто активной нагрузке

3.3. Регулировочная характеристика выпрямителя

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла a называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

При a=0 кривая выходного напряжения u_d соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжение U_d=0,9U₂ максимальное. При L_н=0 углу управления a=p (т.е.тиристор закрыт в течении всего полупериода) соответствуют u_d=0 и U_d=0. Таким образом, управляемый выпрямитель при изменении угла a от 0 до 180º регулирует напряжение U_d от максимального значения до нуля.

Среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления

(1)

где U_do= 0,9U₂ – среднее значения напряжения на нагрузке при a=0.

Вид регулировочной характеристики управляемого выпрямителя показан на рис.4. Кривая 1 соответствует чисто активной нагрузке выпрямителя.

Рассмотрим влияние на процессы в исследуемой схеме индуктивности в цепи нагрузки (ключ К на рис.3,а, разомкнут). После момента открытия, например тиристора Т1, ток i _d, нарастает не скачком как напряжение, а плавно (рис.5, б), что соответствует запасанию энергии в индуктивности. При спадании тока запасенная энергия отдается обратно, поэтому ток продолжает протекать через нагрузку после перехода напряжения питания через нуль. Интервалы проводимости тиристоров возрастают, и они остаются открытыми в течение некоторого времени после изменения полярности напряжений u₁ и u₂. Последнее является причиной появления в кривой выпрямленного напряжения участков отрицательной полярности (см.рис.5, а). Увеличение индуктивности L_н приводит к большей задержке спадания тока i_d до нуля и к возрастанию участков отрицательной полярности в кривой u_d. При некотором значении индуктивности L_н эти участки могут целиком распространяться на интервалах a и ток i_d приобретает непрерывный характер. Участки отрицательной полярности уменьшают среднее значение напряжения на нагрузке (рис.3.5, а-пунктир).

Наличие в кривой напряжения u_d участков отрицательной полярности обусловливает отличие регулировочной характеристики управляемого выпрямителя с активно-индуктивной нагрузкой от случая чисто активной нагрузки. Регулировочная характеристика U_d=f(a) при активно-индуктивной нагрузке определяется из соотношения:

(2)

и проходит ниже той же характеристики, снятой при активной нагрузке (см.рис.4 – пунктир). В частности, при L_н® ¥ регулировочная характеристика управляемого выпрямителя имеет вид кривой 2 на рис.4. Следовательно, кривые 1(L_н = 0) и 2(L_н ® ¥) на рис.4. ограничивают область расположения регулировочных характеристик для промежуточных значений.

3.4.Снятие регулировочной характеристики выпрямителя

Вращая поочередно рукоятки резисторов R1 и R2 по часовой стрелке, зафиксировать появление напряжения на приборе ИП и соответствующей временной диаграммы на экране осциллографа. Это напряжение соответствует минимальному углу управления a_min. Отсчет угла управления произвести по осциллографу (см.рис.6).

Для вычисления угла управления a следует измерить длины отрезков L и l. Угол a определяется по формуле:

(3)

Рисунок 6 – Временная диаграмма напряжения, наблюдаемая с помощью осциллографа

По приведенной формуле можно вычислить значения l для углов a равных 30^о, 60^о, 90^о, 120^о, 150^о градусов:

(4)