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 VS полностью открыт в течение положительных полуволн питающего напряжения.

При α =π/4

что соответствует уменьшению времени t_u1 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 значение U_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=t₁ (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=t₂ (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_рС_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 U₁>>U₂ имеем I₁<<I₂, а потому тиристорное управляемое звено VS, рассчитанное на пониженные токи I₁, получается малогабаритным, а неуправляемое диодное звено VD легко реализуется на практике. Существенно сложнее получить тиристорное управляемое звено на повышенные токи.

Рис. 12.9. Схема двухполупериодного тиристорного управления выпрямителем