Что такое угол управления в тиристоре

28. Угол управления выпрямителем, угол управления инвертором, угол коммутации.

Угол управления преобразователем ()— это угол, выраженный в электрических градусах, отсчитываемый от точки естественной коммутации двух чередующихся фаз до момента включения тиристора последующей фазы.

угол коммутации  — угол, в течении которого вентили участвующие в коммутации одновременно проводят ток.

Диаграмма напряжения с указанием углов управления и коммутации для однофазной мостовой и трехфазной нулевой схем.

29. Свойства тп при их работе в режиме непрерывного и прерывистого тока на активно-индуктивную нагрузку с противоЭдс. Внешние характеристики в этих режимах.

Диаграмма напряжения ТП и тока в режимах непрерывного и прерывистого тока.

Графики внешних характеристик.Внешней характеристикой ТП называется зависимость выпрямленного напряжения от среднего значения тока нагрузки при неизменной величине угла управления.U_d=(I_d)

Внешняя характеристика определяется внутренним сопротивлением преобразователя, которое приводит к снижению выпрямленного напряжения с ростом нагрузки.

Линейная часть внешних характеристик — это зона непре­рывных токов ТП. Нелинейная часть — зона прерывистых то­ков. Они отделены друг от друга величиной граничных токов -точкой пересечения внешних характеристик с эллипсом, опре­деляющим значения граничных токов.

30. Условия инверторного режима.

Инвертированием называется процесс преобразования электрической энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

1. Нагрузка должна содержать в своем составе источник постоянной ЭДС-;
2. Схема должна обеспечивать возможность изменения полярности ЭДС нагрузки;
3. Тиристорный преобразователь должен вырабатывать ЭДС , направленную встречно ЭДС нагрузки и встречно проводящему направлению тиристоров;
4. Среднее значение ЭДС нагрузки должно превышать среднее значение ЭДС ТП.

31. Понятие явления «опрокидывания», методы предотвращения.

Неустойчивость работы ТП в инверторном режиме при малых значениях угла  (и больших значениях тока, эта неустойчивость проявляется в возможности “опрокидывания” или “прорыва” инвертора, что может быть чревато выходом преобразователя из строя. Единственным способом прекратить развитие аварии является разрыв якорной цепи, т.е. отсоединение одного источника от другого. Из диаграммы напряжения видно, что при уменьшении угла управления  коммутация приближается к точке “1”. Условием нормальной работы инвертора является завершение коммутации тока, т.е. переход его с фазы “с” на фазу “а” раньше, чем наступит момент равенства ЭДС коммутируемых фаз в точке “1”. Если же вследствие уменьшения угла  , либо, вследствие увеличения угла  , вызванного возрастанием тока I_d , коммутация на закончится до наступления момента “1”, дальше переход тока на фазу “а” прекратится, и, начавшийся процесс коммутации пойдет в обратном направлении, т.е. останется включенной фаза “с”. Как видно из диаграммы, напряжение на фазе “с” очень быстро становится положительным, а это значит, что ЭДС инвертора E_d изменила свою полярность на противоположную и произошло его “опрокидывание”. Недопущение этого явления возможно единственным способом: предотвращение снижения величины угла управления  ниже минимально допустимого его значения _min. Эта величина определяется выражением:_min_max +  + где: _max — максимально возможное значение угла коммутации, определяемое максимально возможным током в любом режиме работы инвертора; — угол, определяемый временем восстановления запирающих свойств вентилей, а точнее, временем их выключения; — асимметрия управляющих импульсов, т.е. самопроизвольное их отклонение от заданной величины в силу ограниченных возможностей системы управления. Если же предотвратить “опрокидывание” инвертора не удалось, необходимо использовать быстродействующие средства защиты, обеспечивающие аварийное отключение инвертора от всех Из к внешних характеристик ТП, работаю­щего в инверторном режиме, можно определить и обозначить ограничительную линию, указывающую предел значений угла Р и величины тока, допустимых для данного преобразователя. Эти величины между собой связаны. Чем меньше ∠β, тем меньшее значение тока допускается при рабо­те ТП в инверторном режиме.

электроника / Принципы управления тиристорами

В выпрямителях в качестве управляемых ключей используются тиристоры. Для открывания тиристора необходимо выполнение двух условий:

• потенциал анода должен превышать потенциал катода;

• на управляющий электрод необходимо подать открывающий (управляющий) импульс.

Момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора называется моментом естественного открывания. Подача открывающего импульса может быть задержана относительно момента естественного открывания на угол открывания. Вследствие этого задерживается начало прохождения тока через вступающий в работу тиристор и регулируется напряжение выпрямителя.

Для управления тиристорами выпрямителя используется система импульсно-фазового управления (СИФУ), выполняющая следующие функции:

• определение моментов времени, в которые должны открываться те или иные конкретные тиристоры; эти моменты времени задаются сигналом управления, который поступает с выхода САУ на вход СИФУ;

• формирование открывающих импульсов, передаваемых в нужные моменты времени на управляющие электроды тиристоров и имеющих требуемые амплитуду, мощность и длительность.

По способу получения сдвига открывающих импульсов относительно точки естественного открывания различают горизонтальный, вертикальный и интегрирующий принципы управления.

При горизонтальном управлении (рис. 2.28) управляющее переменное синусоидальное напряжение uу сдвигается по фазе (по горизонтали) по отношению к напряжению u1, питающему выпрямитель. В момент времени φt = α из управляющего напряжения формируются прямоугольные отпирающие импульсы UGT.Горизонтальное управление в электроприводах практически не применяется, что обусловлено ограниченным диапазоном регулирования угла α (около 120°).

При вертикальном управлении (рис. 2.29) момент подачи открывающихся импульсов определяется при равенстве управляющего напряжения uу (постоянного по форме) с переменным опорным напряжением uпил (по вертикали). В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы UGT.

При интегрирующем управлении (рис. 2.30) момент подачи открывающих импульсов определяется при равенстве переменного управляющего напряжения uу с постоянным опорным напряжением Uon. В момент равенства напряжений формируются прямоугольные импульсы UGT .

Рис. 2,28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

По способу отсчета угла открывания α СИФУ делят на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчет угла α для каждого тиристора выпрямителя производится в собственном канале, в одноканальных — в одном канале для всех тиристоров. В промышленном электроприводе преимущественное применение получили многоканальные СИФУ с вертикальным принципом управления.

1. Принцип регулирования выпрямленного напряжения в управляемых выпрямителях.

В управляемых выпрямителях процесс выпрямления совмещен с регулированием напряжения. В них в качестве основного элемента применяют управляемые вентили – тиристоры.

Условия открытия тиристора :

Тиристор закрывается при подаче обратного напряжения или уменьшении тока через тиристор величины, близкой к нулю. После открытия тиристора управляющий электрод теряет свои функции.

Если к тиристору прикладывается напряжение от вторичной обмотки (положительный полупериод), то тиристор будет закрыт до тех пор, пока не будет подан импульс на управляющий электрод. Как только это произойдёт, тиристор открывается и работает, как обыкновенный вентиль.

^ Рисунок 1. Принцип горизонтального регулирования.

Время от начала полупериода до открывания тиристора называется углом регулирования α. Если α = 0, то работа выпрямителя аналогична работе неуправляемого выпрямителя. Чем позже от начала полупериода будет появляться управляемый импульс, тем позже откроется тиристор , тем больше угол регулирования α, тем меньше будет площадь импульса выпрямленного напряжения, тем меньше будет среднее значение выпрямленного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения может быть определено по формуле для любого угла регулирования: Uo = Uoα=0 • (1 + cosα) / 2

Таким образом, изменяя время появления управляющего импульса, изменяем угол регулирования, а следовательно, и среднее значение выпрямленного напряжения.

^ 2. Методы управления тиристорами (Самостоятельная работа):

Горизонтальный метод управления;

Вертикальный метод управления;

Существует два способа изменения угла регулирования:

Горизонтальный метод управления называется так потому, что с помощью фазосдвигающих устройств смещаются управляющие импульсы по горизонтали (по оси времени).

Вертикальный метод управления. При этом методе управления, управляющий импульс появляется тогда, когда линейное возрастающее напряжение (пилообразное) становится равным какому- то постоянному напряжению (которое можно изменить).

Допустим, что постоянное напряжение Un, тогда в момент времени 1 напряжение пилообразное станет равным Un1:

Рисунок 2. Принцип вертикального регулирования.

В этот момент будет сформирован управляющий импульс 1. Угол регулирования равен α1. Если Un увеличить до значения Un2, то пилообразное напряжение позже достигает этого значения, следовательно, и позже появится управляющий импульс (в момент 2).. Угол регулирования в этом случае увеличится.

Второй случай более точный (более стабильный α), но и более сложный. Преимуществом регулирования напряжения является исключительно малые потери, а недостатком — повышение пульсации, в особенности при больших углах регулирования

^ Принцип работы схемы однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом.

Широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил фазовый способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания диодов выпрямителя. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых диодов — тиристоров, в связи с чем выпрямитель называется управляемым.

Рассмотрим принцип работы схемы однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом (рис4), работающего на активную нагрузку.

Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения сети U1 чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 4 без скобок. На интервале О-vd тиристоры VS1, VS2 закрыты, напряжение на выходе выпрямителя ud= 0. К тиристорам VS1, VS2 прикладывается суммарное напряжение двух вторичных обмоток трансформатора U2-1 + U2-2. На тиристоре VS1 действует напряжение в прямом направлении, а на тиристоре VS2 в обратном.

Если сопротивления непроводящих тиристоров при прямом и обратном напряжениях считать одинаковыми, то на интервале 0 – v1 напряжение на тиристорах (с учетом соответствующей полярности) будет определятся величиной (u2-1-u2-2)/2 = u2.

В момент времени v1 определяемый углом α от системы управления СУ выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора VS1. В результате отпирания тиристор VS1 подключает нагрузку rh на напряжение U2-1 — т вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке в интервале формируется напряжение Ud), предоставляющее собой участок кривой напряжения U2-1 = u2 Через нагрузку и тиристор VS1 протекает ток При переходе напряжения питания через нуль(\/2-П), ток тиристора VS1 становится равным нулю и тиристор закрывается.

В интервале V2 — П полярность напряжения питания изменяется на противоположную. В этом интервале оба тиристора выпрямителя закрыты. К тиристору VS1 прикладывается обратное напряжение, а к тиристору VS2—прямое напряжение, равное u2.

По окончании указанного интервала подается отпирающий импульс на тиристор VS2. Отпирание этого тиристора вызывают приложение к нагрузке напряжения ud=u2-2=u2 той же формы, что и на интервале проводимости тиристора VS1.

Через нагрузку и тиристор протекает ток .На интервале 2П — V2 проводимости тиристора VS2 напряжения двух вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору VS2, вследствие чего с момента отпирания тиристора VS2 на тиристоре VS1 действует обратное напряжение, равное 2u2.

^ Рисунок 5. Временные диаграммы выпрямленного напряжения

Регулеровачная характеристика управляемого выпрямителя.

Максимальному обратному напряжению соответствует значение, где U2 — действующее значение вторичного напряжения трансформаторов.

В последующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.

Как указывалось, одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ud при изменении угла α. При α = 0 кривая выходного напряжения Ud соответствует случаю неуправляемого выпрямителя и напряжения максимально. Углу управления α – П (180 эл. град. ) отвечают Ud = 0 и Ud =0. Иными словами, управляемый выпрямитель при изменении угла α, от 0 до 180 эл. град. осуществляет регулирование напряжения Ud в пределах от максимального значения, равного 09 U2 do 0. Вид кривых Ud при различных значениях угла α показан на рис. 5а — г.

Зависимость напряжения Ud от угла α называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя и приведена на рис. 6.

Какой метод управления тиристорами является наиболее эффективным?

Какие условия необходимы, чтобы тиристор был открыт?

При каком условии закрывается тиристор?

Чем позже от начала полупериода будет появляться управляющий импульс, тем?

В каком случае работа управляющего выпрямителя аналогична работе неуправляемого выпрямителя?

При каком значении угла регулирования выпрямленное напряжение на выходе управляемого выпрямителя минимально?

Что показывает регулировочная характеристика управляемого выпрямителя?

Полупроводниковые выпрямители — Управляемые выпрямители

4. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАЗНОГО И ТРЕХФАЗНОГО ТОКА
В большинстве практических случаев выпрямители средней и большой мощности применяются не только для выпрямления переменного тока в постоянный, но должны позволять плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ufj. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также для регулирования напряжения для управления частотой вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.
При использовании в выпрямителях неуправляемых вентилей среднее значение выпрямленного напряжения и, как это видно из (11), (22) и табл. 1, пропорционально напряжению U2 ф. Регулирование величины и^ в этом случае сводится к изменению напряжения U2 на вторичной стороне трансформатора с помощью отпаек, что не всегда удобно и сложно. Более широкое применение для регулирования напряжения на нагрузке получил способ, основанный на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя за интервал проводимости. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вентилей— тиристоров, в связи с чем такой выпрямитель называют управляемым.
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме и нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип действия таких выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь ее особенности.
Однофазная нулевая схема управляемого выпрямителя изображена на рис. 21,э. Она отличается от схемы неуправляемого , выпрямителя (см. рис. 16 6) тем, что диоды VI и V2 заменены тиристорами VC1 и 1/С.2„ 1
Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмотки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управления СУ, которая формирует синхронно с напряжением их управляющие импульсы иу1 и иу2 и позволяет изменять их фазу относительно напряжений и2а и и2Ь источника питания.
Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения (рис. 21,6), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 21,а без скобок.
При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод VI открылся бы в момент времени f0 (рис. 21,в), которое является для него моментом естественного отпирания. Тиристор, как отмечалось в § 2, отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и отпирающего импульса на управляющем электроде. На интервале t0-t, тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток трансформатора и2в и и2н’ на тиристор VC1 — в прямом направлении, а на тиристор VC2 — в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя ud = 0.

21. Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке
В момент времени f, от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс uyi. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напряжения Uia и подключит нагрузку Rd на напряжение иг вторичной обмотки трансформатора.
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой а. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение ud на нагрузке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой напряжения и2в. В момент t2 напряжение и2в меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t2—t3 оба вентиля будут закрыты и ток id в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 — прямое напряжение, равное и2Ь. В момент f3 подается отпирающий импульс Uy2 на тиристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момента t4. Далее через интервал, равный углу а, вновь вступит в работу тиристор VC1 и т.д.

При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая выпрямленного тока id полностью повторяет форму кривой напряжения ud (рис. 21,в и д). На рис. 21,е построена кривая обратного напряжения ц,бр на тиристоре VC1 для случая работы схемы с углом регулирования а = 60°. В интервале f0— fi к тиристору VC1 приложено прямое напряжение ипр = u2e, в интервале ti~t2 тиристор VC1 открыт и падение напряжения на нем практически равно нулю. В момент f2, когда ток id равен нулю!, тиристор VC1 закрывается и к нему прикладывается обратное напряжение, равное — и2в, поскольку тиристор VC2 также закрыт.
Рис. 22. Регулировочные характеристики однофазного двухполупериодного выпрямителя:
1 — при активной и 2 — при активно-индуктивной нагрузках

Рис. 23. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель: а.— схема включения элементов; б — д — временные диаграммы напряжений и токов

Количественные соотношения между другими величинами для однофазной нулевой схемы на управляемых вентилях приведены в табл. 1.
• Однофазная мостовая схема на управляемых вентилях изображена на рис. 23.а. Пусть значения напряжений их и и2 обмоток трансформатора Г равны. Для работы такого выпрямителя управляющие импульсы должны подаваться одновременно на два тиристора, расположенных в противоположных плечах моста. Пусть, например, в момент времени t, (рис. 23,6), определяемый углом а, от системы управления выпрямителя на тиристоры VC1 и VC3 подаются управляющие импульсы иух и иу2 (рис. 23,в), вентили открываются и в интервале t, — Г2 через нагрузку Rd протекает ток id. В момент Г2 вентили VCf и VC2 запираются, так как напряжение и2 проходит через нуль. В интервале t2—t3 к тиристорам VC1 и VC3 будет приложено обратное напряжение; равное половине напряжения и2 вторичной обмотки трансформатора, а к тиристорам VC2, VC4 — прямое напряжение такого же значения (рис. 23,d). (
Далее в момент f 3 подаются управляющие импульсы на следующую пару тиристоров — VC2, VC4 и они будут работать аналогично тиристорам VC1 и VC3, но только со смещением по фазе на 180° (интервал f3—г4),и т.д.
Кривые выпрямленного напряжения ud и тока id однофазной мостовой схемы на тиристорах (рис. 23;г) аналогичны соответствующим кривым для однофазной схемы со средней точкой. Будут также одинаковыми формы кривых токов через вентиль, а также кривые токов в первичной и вторичной обмотках трансформатора Г (рис. 23,6). Максимальное значение иобр на тиристорах, как и для случая работы схемы на диодах, определяется амплитудой напряжения и2, а в схеме с нулевым выводом — напряжением 2и2. По указанной причине тиристоры мостовой схемы следует выбирать на напряжение \/ТU2, т.е. вдвое меньше, чем в схеме с нулевой точкой. Электрические параметры рассмотренной схемы выпрямления приведены в табл. 1. % Трехфазная нулевая схема с тиристорами изображена на рис. 24,з. Рассмотрим принцип действия такого выпрямителя для случая, когда вторичные обмотки трансформатора соединены в зигзаг. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие импульсы с некоторым смещением во времени (с задержкой на угол управления а) по отношению к моменту естественного отпирания диодов в неуправляемом выпрямителе (см. рис. 18,з), который соответствует точкам пересечения синусоид фазных напряжений иа, иь и ис (точки а, б. в иг на рис. 24,в).
Пусть, например, управляющие импульсы на тиристоры VC1, VC2, VC3 подаются в моменты, соответствующие середине положительных полуволн фазных напряжений (при этом угол а = = 60°). В этом случае на нагрузке возникают импульсы выпрямленного напряжения ud в форме четверти синусоиды (рис. 24,г).

Рис. 24. Трехфазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой: а — схема включения элементов; б — векторная диаграмма напряжений обмоток трансформатора; в — в — временные диаграммы токов и напряжений
Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сторону увеличения или уменьшения угла управления а вызывает соответствующее уменьшение (рис. 24,в) или увеличение (рис. 24,д) импульсов напряжения ud. При угле а = 0 кривая выпрямленного напряжения (рис. 24,е) будет иметь такую же форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 24,в). Очевидно, что кривая тока id по форме будет повторять кривую выпрямленного напряжения ud при работе выпрямителя на активную нагрузку.
Из этих кривых видно, что имеются две характерные области работы управляемого выпрямителя. Первая соответствует изменению угла регулирования в пределах 0 < а < 30°, при этом выпрямленный ток будет непрерывным и среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением
(36)
Каждый тиристор схемы в этом случае работает одну треть периода. Вторая область соответствует углам а > 30° и характеризуется тем, что при прохождении фазных напряжений через нуль (точки к, л, м, н на рис. 24,г) работающий тиристор закрывается, а так как на очередной вступающий в работу тиристор отпирающий импульс еще не подан, то в кривой выпрямленного напряжения возникают паузы (нулевые участки), в течение которых ток /> Длительность прохождения тока через вентиль в этом случае будет меньше 773 и среднее значение выпрямленного напряжения рассчитывается по формуле
(37)
Для трехфазной нулевой схемы при работе на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол атах = 150°. Напряжение на вентиле определяется разностью потенциалов анода и общей точки катодов, потенциал которой изменяется по кривой напряжения ud. Максимальное значение обратного напряжения на тиристоре, так же как в схеме с неуправляемыми вентилями, равно амплитуде линейного напряжения Uj,, [см. (24)].
Для устранения в сердечнике трансформатора потока вынужденного намагничивания вторичные обмотки соединены в зигзаг (рис. 24,э). При такой схеме соединения ток фазы вторичной обмотки обтекает одновременно две полуобмотки, расположенные на соседних стержнях, но только в разных направлениях.

Благодаря этому МДС первичной и вторичной обмоток по стержням полностью компенсируются и поток вынужденного намагничивания в сердечнике трансформатора не возникает.
Однако следует отметить, что использование вторичных обмоток по мощности при этом ухудшается. Это объясняется тем, что масса меди двух связанных между собой обмоток увеличивается вдвое, а результирующее напряжение каждой фазы, определяющееся геометрической суммой напряжений двух полуобмоток, расположенных на разных стержнях и сдвинутых по фазе на 120° (рис. 24,6), увеличивается только в v3 = 1,73 раза по сравнению с результирующим напряжением при двух обмотках, размещенными на одном стержне.

Рис. 25. Трехфазная мостовая схема на управляемых вентилях: а — соединение элементов; б — г — временные диаграммы токов и напряжений при различных углах регулирования

Таким образом, вторичное фазное напряжение в этой схеме будет U%ф зиг = у/3/y/2U2 фзвез = = 0,87 У2ф звез, и чтобы получить при соединении вторичных обмоток в зигзаг такое же значение выпрямленного напряжения Ud, .как в схеме со вторичной звездой, необходимо увеличить количество витков вторичных полуобмоток на 13%. В результате типовая мощность трансформатора по сравнению с мощностью трехфазной нулевой схемы выпрямления также увеличивается и равна ST = 1,46Pd.

Ф В трехфазной мостовой схеме с управляемыми вентилями (рис. 25,а), так же как и с неуправляемыми, одновременно работают два тиристора: один из катодной (нечетной) группы, другой из анодной (четной) группы, и нагрузка в любой момент времени присоединяется к двум фазам вторичной обмотки трансформатора. Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной группы по даются с опережением на 180° по отношению к тиристорам четной группы, присоединенным к тем же выводам вторичной обмотки, так как первые работают при положительных значениях фазных напряжений на анодах, вторые — при отрицательных на катодах (рис. 25,6).
Работа рассматриваемой схемы выпрямления иллюстрируется диаграммами мгновенных значений фазных напряжений на тиристорах (рис. 25,6); кривыми выпрямленного напряжения ud (рис. 25,в), которое получается путем суммирования мгновенных значений напряжений работающих в данный момент вентилей; кривыми анодных токов (рис. 25,г) катодной группы — над осью времени, анодной группы — под осью. Каждая из диаграмм построена для трех значений углов регулирования: а, = = 30°, Oj = 60° и а3 = 90°.
При угле регулирования a = 0 отпирающие импульсы на тиристоры необходимо подавать в моменты, соответствующие точкам пересечения кривых фазных напряжений (точки а, б, в и к, л, м на рис. 25,6). В этом случае каждый из вентилей проводит ток в течение 773, как в неуправляемой схеме, а чередование пар работающих тиристоров происходит через 60° (рис. 25,г).
Пока угол регулирования а < 60°, кривые выпрямленного напряжения, а следовательно, и кривые выпрямленного тока id (рис. 25,в и г) при активной нагрузке непрерывны. Для этого режима (0 < a < 60°) среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением (36). Как видно из рис. 25,г, через вступающий в работу тиристор катодной группы ток может проходить только при условии, если одновременно открывается или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому но меру) тиристор анодной группы. В противном случае цепь тока id не будет замкнута и очередной вступающий в работу тиристор не откроется.
Угол а = 60° соответствует при активной нагрузке г р а н и ч- но-непрерывному режиму. При углах а > 60° и активной нагрузке в кривых напряжения ud и тока id появляется интервал с нулевым значением, т.е. наступает режим работы выпрямителя с прерывистым выпрямленным током.
Следует отметить, что для обеспечения работы данной схемы в режиме с прерывистым током, а также для первоначального ее запуска на управляющие электроды тиристоров следует подавать либо одиночные импульсы шириной больше 60°, или сдвоенные
узкие отпирающие импульсы с интервалом между ними в 60° (рис. 25,6 при а3 = 90°).
Схема управления выпрямителем должна быть построена так, чтобы при подаче отпирающего импульса на вступающий в работу тиристор одного плеча моста одновременно осуществлялась бы подача импульса на управляющий электрод тиристора отстающей фазы противоположного плеча моста. Например, при работе выпрямителя с а = 90° (рис. 25,6), для того чтобы открыть тиристор VC1, в момент 11 необходимо одновременно подать отпирающий импульс и на тиристор VC6. после чего оба вентиля будут проводить ток до момента t2, когда разность мгновенных значений напряжений и2а и игЬ будет равна нулю и тиристоры VC1 и VC6 закроются. Затем в момент t3 должен вступить в работу тиристор VC2, который откроется только при условии наличия повторного отпирающего импульса на тиристоре VC1 или при условии, что на управляющий электрод этого тиристора в момент f, будет подан импульс длительностью больше 60°. Тиристоры VC2 и VC1 будут проводить ток до момента f4, далее вступит в работу следующая пара тиристоров VC3 и VC2 и т.д.
Среднее значение выпрямленного напряжения, когда ток id прерывистый (а > 60°), определяется выражением
(38)
Из (38) следует, что при работе данной схемы на активную нагрузку предельным углом регулирования, при котором Ud = 0, является угол отах = 120°.

Тиристоры. Принцип действия и применение

История создания тиристора началась в 1955 г., когда была опубликована статья исследователей знаменитой Bell Telephone Laboratories Джона Луиса Молла (John Louis Moll), Морриса Таненбаума (Morris Tanenbaum), Джеймса/Джима М. Голди (James/Jim M. Goldey) и Ника Холоньяка (Nick Holonyak), в которой описывался управляемый полупроводниковый выпрямитель (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

В 1956 г. в этой же лаборатории впервые была получена описанная в статье кремниевая структура p-n-p-n-типа. В следующем году на основе этой структуры Роберт Ноэль Холл (Robert Noel Hall) и Фрэнк Уильям Гутцвиллер (Frank William Gutzwiller), инженеры электротехнического концерна General Electric, создали первые образцы тиристора (SCR). Позиционное обозначение тиристора на электрической схеме показано на рис. 1.

Рис. 1. Позиционное обозначение тиристора на электрической схеме

С момента появления тиристоров прошло немало времени, появились новые силовые полупроводники (IGBT, MOSFET), но до сих пор тиристоры остаются единственными силовыми полупроводниковыми приборами, способными коммутировать электрические цепи с напряжением несколько тысяч вольт и токами в несколько тысяч ампер.

Принцип работы тиристора

Принцип работы тиристора схож с принципом работы динистора, достаточно подробно описанным в статье «Динисторы. Принцип действия и применение». Поэтому мы не будем повторяться, лишь выделим принципиальное отличие между этими двумя приборами. Упрощенная структура тиристора и схема его включения показаны на рис. 2. Как видно из рис. 1, главным отличием тиристора от динистора является наличие управляющего электрода УЭ, чаще его обозначают символом G. При подаче на электрод УЭ положительного относительно катода импульса p-n-переход p3-n4 смещается в прямом направлении, и через него начинает протекать ток. Затем процессы в тиристоре развиваются по такому же сценарию, как и в динисторе. Отметим, что напряжение Е (рис. 2) должно быть ниже нормируемого напряжения тиристора.

Рис. 2. Упрощенные схемы устройства и включения тиристора

После отпирания тиристора напряжение на управляющем электроде следует снизить до нулевого уровня. Запирание тиристора происходит, когда ток тиристора становится ниже тока удержания IH. На рис. 3 приведена вольт-амперная характеристика тиристора. На ней отмечены значения тока управляющего электрода, при которых происходит включение (открытие) тиристора.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика тиристора

Между токами соблюдается следующее соотношение: I_{УПР.СПР} > I_УПР2 > I_УПР1. Чем больше ток управления, тем меньше должно быть напряжение анода для включения тиристора. При токе управления I_{УПР.СПР} на вольт-амперной характеристике тиристора отсутствуют участки с отрицательным сопротивлением, поэтому этот ток управления называется током спрямления. Производители тиристоров указывают его в документации. Там же приводится минимальная длительность импульса тока управления.

Перечислим основные параметры тиристора, которые указывают в документации производители:

• максимально допустимый ток в прямом направлении I_T(AV);
• повторяющееся пиковое напряжение в прямом направлении V_DRM;
• повторяющееся пиковое напряжение в обратном направленииV_PRM;
• импульсный ток I_TSM;
• I 2 t;
• максимальная скорость изменения приложенного напряжения dV/dt;
• максимальная скорость изменения прямого тока di/dt;
• ток удержания I_H.

Ток I_T(AV) определяется как средний ток синусоидальной полуволны частотой 50 Гц. Обычно V_DRM =V_PRM, именно эти величины напряжения нормирует производитель. Например, у 1200-В тиристора значения V_DRM = V_PRM = 1200 В. Производители гарантируют, что при этих значениях напряжения V_PRM и V_DRM не произойдет ни обратного пробоя тиристора, ни его ложного включения.

Импульсный ток I_TSM это средний ток синусоидальной полуволны частотой 50 Гц при напряжении 0,6V_PRM. Величина I 2 t позволяет определить значение всплесков тока, когда форма импульса отлична от синусоидальной полуволны, а длительность импульса заметно меньше 10 мс.

Ограничение скорости нарастания прикладываемого напряжения dV/dt определяется паразитными емкостями p-n-переходов. Если скорость нарастания напряжения превысит заданную производителем, возможно ложное включение тиристора. Ограничение скорости нарастания тока di/dt необходимо для защиты тиристора от локального перегрева в момент включения.

Примеры использования тиристора

Тиристоры нашли применение во многих устройствах, и существует множество схем их использования — от простейших регуляторов мощности (диммеров) до сложных многофазных реверсивных регулируемых выпрямителей.

Рис. 4. Схема простейшего регулятора мощности

Схема простейшего регулятора мощности показана на рис. 4. По мере заряда конденсатора С1 возрастает напряжение на управляющем электроде и, следовательно, его ток, что и приводит к включению тиристора. Схема подкупает своей простотой, но может использоваться лишь при небольшой нагрузке. При плавном нарастании напряжения управляющего электрода включение тиристора произойдет при малом токе управления (рис. 3), что приведет к дополнительной потере мощности на тиристоре.

Рис. 5. Структурная схема двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ

Рис. 6. Временная диаграмма работы схемы двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ

Поэтому для управления тиристорами используют специальную систему импульсно-фазового управления (СИФУ), формирующую импульсы управления с крутым фронтом. Структурная схема двухполупериодного регулирования мощности с СИФУ и временная диаграмма работы показаны на рис. 5 и 6 соответственно. Импульс управления поступает на тиристор в конце интервала времени Т1. В данном случае Т1=Т2, угол открытия тиристора отсчитывается от точки перехода напряжения через 0 и в данном случае составляет 90°.

Рис. 7. Схема двухполупериодного выпрямителя и временная диаграмма его работы

Пожалуй, наиболее распространено применение тиристоров в управляемых выпрямителях. На рис. 7 показаны схема двухполупериодного выпрямителя и временная диаграмма его работы. Предполагается, что мост работает на активно-индуктивную нагрузку, постоянная времени которой существенно превышает длительность периода сетевого напряжения, поэтому токи через тиристоры и ток сети I1 имеют прямоугольную форму.

Обратный диод VD0 образует контур протекания тока нагрузки при выключенных тиристорах. Выходное напряжение зависит от угла управления тиристорами α следующим образом:

Рис. 8. Трехфазная выпрямительная схема с нулевым проводом (выпрямитель Ларионова)

На рис. 8 показаны трехфазная выпрямительная схема с нулевым проводом (выпрямитель Ларионова) и графики выпрямленного напряжения и тока. Так же, как и в предыдущем случае, предполагается, что постоянная времени нагрузки значительно превышает длительность периода сетевого напряжения. Среднее выпрямленное напряжение на нагрузке вычисляется из следующего соотношения:

где U2 — действующее напряжение на вторичной обмотке.

Рис. 9. Трехфазная мостовая реверсивная выпрямительная схема

Трехфазная мостовая реверсивная выпрямительная схема показана на рис. 9. Мостовые выпрямители работают в этой схеме поочередно. Обратные диоды в реверсивной схеме, разумеется, отсутствуют, поэтому переключение мостов возможно только в случае уменьшения тока нагрузки до нуля. В противном случае произойдет короткое замыкание.