Управляемые выпрямители: принцип работы, схема, область применения

С целью управления напряжением в сети используются электронные выпрямители. Данные устройства работают путем изменения частоты. Многие модификации разрешается применять в сети переменного тока.

К основным параметрам выпрямителей относится проводимость. Также стоит учитывать показатель допустимого перенапряжения. Для того чтобы более детально разобраться в вопросе, надо рассмотреть схему выпрямителя.

Устройство модификаций

Схема выпрямителя предполагает использование контактного тиристора. Стабилизатор, как правило, применяется переходного типа. В некоторых случаях он устанавливается с системой защиты. Еще имеется множество модификаций на триодах. Работают данные устройства при частоте от 30 Гц. Для коллекторов они неплохо подходят. Также схема выпрямителя включает в себя компараторы низкой проводимости. Чувствительность у них соответствует показателю не менее 10 мВ. Определенный класс устройств оснащается варикапом. За счет этого модификации можно подключать к однофазной цепи.

Принцип работы

Радиотехнический термин thyristor составлен из двух частей. В начале употреблено слово thyra, что означает на греческом языке «дверь» или «вход». Затем использовано окончание английского слова resistor, которое переводится как «сопротивление».

Тиристором называется полупроводниковое устройство, где на базе монокристалла собираются более двух p — n переходов. Суть электронно-дырочного соединения пары химических элементов — так расшифровывается понятие «p — n переход» — состоит в том, что при подключении прямого тока на выводах появляется разность потенциалов. При обратном токе совершается блокировка носителей заряда.

В устройство коммутируется сигнальный контакт, назначение которого состоит в управлении током пробоя границы разнозаряженных зон. На электрических схемах обозначение тиристора почти совпадает со значком диода. Различие состоит в том, что к катодному выводу пририсована стрелка управляющего электрода.

Конструкция прибора

Полупроводниковый прибор представляет собой структуру, которую образуют четыре слоя разной полярности, соединённых последовательно. Образуется цепочка p — n — p — n типа. К наружному слою с положительным зарядом подключён анодный вывод, к отрицательному полупроводнику — катод. К внутренним прослойкам допустимо присоединение до двух управляющих контактов.

Основообразующим элементом тиристора является кристалл кремния с заданной толщиной. Для формирования p-слоя применяются примеси бора и алюминия. Чтобы получить n-область используется фосфор. Нанесение добавок происходит с помощью диффузионной технологии. При температуре от 1000° C до 1300° C создаётся переходный слой глубиной 60 Мкм.

Внешний вид современных устройств непохож на детали, изготовленные два десятка лет назад. Раньше они выглядели как «летающие тарелки». Минусовый электрод и сигнальный контакт располагались на торце, а анодный вывод устанавливался с противоположной стороны или сбоку изделия. Сейчас тиристор представляет собой небольшой пластмассовый коробок с тремя электродами внизу. Расположение контактов указывается в описании устройства.

Вам это будет интересно Цифровой прибор мультиметр и измерение мультитестером

Режимы работы

Принцип действия тиристора характеризуется работой в двух устойчивых состояниях. Положение «закрыто» свидетельствует о низкой проводимости. Значение «открыто» указывает высокую электропроводность.

Как работает тиристор, для чайников объяснит диаграмма зависимости силы тока от напряжения. В исходной позиции полупроводниковый элемент заперт.

Даже значительное увеличение разности потенциалов на контактах не приведёт устройство в рабочее состояние. Линия графика почти горизонтальна.

Но стоит подать ток на управляющий вывод, как тиристор откроется. В этот момент линейный отрезок на графике круто изменяет угол наклона, близкий к вертикальному положению. От величины сигнального тока зависит уровень пробойного напряжения. Вольт-амперная характеристика объясняет, зачем требуется применение управляющего электрода. После обнуления командного сигнала устройство останется открытым, пока напряжение не уменьшится до уровня удержания.

Работа транзистора также основана на взаимодействии p — n переходов. От полупроводникового триода, который, как вентиль, плавно регулирует напряжение, тиристорный элемент отличается скачкообразным ростом разности потенциалов после появления сигнала управления. Своеобразный электронный ключ по команде открывает дорогу питанию электрической цепи.

Полупроводниковые модели

Полупроводниковые выпрямители замечательно подходят для понижающих трансформаторов. Многие модификации выпускаются на базе коннекторных конденсаторов. Проводимость на входе у них не превышает 10 мк. Также стоит отметить, что полупроводниковые выпрямители отличаются по чувствительности. Устройства до 5 мВ способны использоваться при напряжении 12 В.

Системы защиты у них применяются класса Р30. Для подключения модификаций используются переходники. При напряжении 12 В параметр перезарузки в среднем равен 10 А. Модификации с обкладками выделяются высоким параметром рабочей температуры. Многие устройства способны работать от транзисторов. Для понижения искажений используются фильтры.

Особенности тиристорных устройств

Тиристорный выпрямитель предназначен для регулировки напряжения в сети постоянного тока. Если говорить про модификации низкой проводимости, то у них используется только один триод. Предельное напряжение при загрузке в 2 А составляет не менее 10 В. Система защиты у представленных выпрямителей используется, как правило, класса Р44. Также стоит отметить, что модели хорошо подходят для силовых проводников. Как работает трансформатор на тиристорных выпрямителях? В первую очередь напряжение попадает на реле.

Преобразование постоянного тока происходит благодаря транзистору. Для контроля выходного напряжения используются конденсаторные блоки. У многих моделей имеется несколько фильтров. Если говорить про недостатки выпрямителей, то стоит отметить, что у них высокие тепловые потери. При выходном напряжении свыше 30 В, показатель перегрузки значительно снижается. Дополнительно стоит учитывать высокую цену на тиристорный выпрямитель.

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

Мостовые модификации

Мостовые выпрямители работают при частоте не более 30 Гц. Угол управления зависит от триодов. Компараторы в основном крепятся через диодные проводники. Для силового оборудования модели подходят не лучшим образом. Для модулей применяются стабилизаторы с низкоомным переходником. Если говорить про минусы, то следует учитывать низкую проводимость при высоком напряжении. Системы защиты, как правило, применяются класса Р33.

Многие модификации подключаются через дипольный триод. Как работает трансформатор на этих выпрямителях? Первоначально напряжение подается на первичную обмотку. При напряжении свыше 10 В в работу включается преобразователь. Изменение частоты осуществляется при помощи обычного компаратора. С целью уменьшения тепловых потерь на мостовой управляемый выпрямитель устанавливается варикап.

Силовые устройства

Силовые выпрямители в последнее время считаются очень распространенными. Показатель перегрузки при невысоком напряжении у них не превышает 15 А. Система защиты в основном используется серии Р37. Модели применяются для понижающих трансформаторов. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что устройства выпускаются с пентодами. Они выделяются хорошей чувствительностью, но у них низкий параметр рабочей температуры.

Конденсаторные блоки разрешается применять на 4 мк. Выходное напряжение свыше 10 В задействует преобразователь. Фильтры, как правило, используются на два изолятора. Также стоит отметить, что на рынке имеется множество выпрямителей с контроллерами. Основное их отличие кроется в возможности работы при частоте свыше 33 Гц. При этом перегрузка в среднем соответствует 10 А.

Двухполупериодные модификации

Двухполупериодный однофазный выпрямитель способен работать на разных частотах. Основное преимущество модификаций кроется в высоком параметре рабочей температуры. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что тиристоры силовые используются интегрального типа, и проводимость у них не превышает 4 мк. При напряжении 10 В система в среднем выдает 5 А.

Системы защиты довольно часто применяются серии Р48. Подключение модификаций осуществляется через адаптеры. Также стоит отметить недостатки выпрямителей этого класса. В первую очередь это низкая восприимчивость к магнитным колебаниям. Параметр перегрузки порой может быстро изменяться. При частоте ниже 40 Гц чувствуются перепады тока. Еще эксперты отмечают, что модели не способны работать на одном фильтре. Дополнительно для устройств не подходят полевые транзисторы.

Технические характеристики

Области применения полупроводника разнообразны. В зависимости от того, для чего нужен тиристор, подбирается деталь с требуемыми техническими данными. Выбрать необходимый тип полупроводникового триода помогут рабочие параметры устройства:

1. Максимальный ток от анода к катоду.
2. Наибольшая величина обратного тока указывается только для типов, обладающих такой функцией.
3. Максимальное прямоточное напряжение в положении «открыто».
4. Минимальные напряжение и сила тока раскрытия p — n перехода.
5. Предельный уровень сигнального тока, приводящий к пробою тиристора.
6. Ток удержания определяет уровень, ниже которого наступает состояние «закрыто».
7. Мощность указывает величину допустимой нагрузки.
8. Время срабатывания.

Однофазные устройства

Однофазный управляемый выпрямитель способен выполнять множество функций. Устанавливают модели чаще всего на силовые трансформаторы. При частоте 20 Гц параметр перегрузки в среднем не превышает 50 А. Система защиты у выпрямителей используется класса Р48. Многие эксперты говорят о том, что модели не боятся волновых помех и отлично справляются с импульсными скачками. Есть ли недостатки у моделей данного типа? В первую очередь они касаются низкого тока при высокой загруженности. Чтобы решить эту проблему, устанавливаются компараторы. Однако стоит учитывать, что они не могу работать в цепи переменного тока.

Дополнительно периодически возникают проблемы с проводимостью тока. В среднем данный параметр равен 5 мк. Понижение чувствительности сильно влияет на работоспособность триода. Если рассматривать однофазные неуправляемые выпрямители, то обкладки у них используется с переходником. У многих моделей имеется несколько изоляторов. Также стоит отметить, что выпрямители данного типа не подходят для понижающих трансформаторов. Стабилизаторы чаще всего применяются на три выхода, и предельное напряжение у них не должно превышает 50 В.

Управляемые выпрямители

3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ.

3.1 Тиристоры в управляемых выпрямителях.

В промышленном и транспортном электроприводе, в мощных электротермических и электротехнологических установках находят применение управляемые выпрямители (УВ), в которых в отличие от неуправляемых выпрямителей, имеется возможность изменения и регулирования параметров выходной энергии (напряжения, тока). Регулирование их выходного напряжения может выполняться различными способами: с помощью регулируемых трансформаторов, с помощью резистивных или емкостных делителей и с помощью управляемых вентилей – тиристоров. Последний способ в настоящее время используется наиболее широко.

Тиристоры – это управляемые полупроводниковые приборы диодного типа (рис.3.1.1), имеющие три p-n перехода. Крайняя P-область называется анодом, другая крайняя N-область – катодом, а вывод от одной из центральных областей называется управляющим электродом (УЭ). В зависимости от расположения УЭ тиристоры делятся на приборы с катодным управлением (рис. 3.1.1,а) и приборы с анодным управлением (рис. 3.1.1,в). ВАХ тиристора (рис. 3.1.2) отличается от ВАХ диода только в области прямых напряжений тем, что тиристор включается в проводящее состояние подачей тока Iу на управляющий электрод. Включение тиристоров в УВ «по аноду» подачей напряжения U>Uвкл нежелательно из-за возможного повреждения прибора. После включения УЭ теряет управляющие свойства и, следовательно, не в состоянии выключить прибор. Для выключения тиристора необходимо либо понизить ток до значения I поменять полярность напряжений на аноде (рис.3.1.3). В УВ полярность этого напряжения меняется периодически с частотой питающей сети, что обеспечивает так называемое естественное запирание тиристоров.
Следует отметить, что тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление, называемое «эффектом dU/dt», ограничивает допустимую скорость нарастания прямого напряжения значениями 20…100В/мкс. Другими параметрами тиристоров являются:

— допустимое прямое Uвкл и обратное Uобр. доп. напряжения (рис.3.1.2), составляющие для разных типов тиристоров от 100 до 6000 В;

— допустимый средний прямой ток Iпр. доп (у мощных тиристоров до 2000А);

— амплитуда Iу, длительность tиу и скорость нарастания dIу/dt импульса тока управления;

— времена включения tвкл и выключения tвыкл.

У современных тиристоров tвкл составляет единицы мкс, а tвыкл колеблется от 20 до 500мкс. Заметим, что только спустя tвыкл к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение Uпр, иначе прибор самопроизвольно включается. Эквивалентная схема тиристора в области прямых напряжений не отличается от диодной (см. раздел 2.4), а статическая мощность потерь определяется по формуле (2.5.8) с учетом (2.5.5) и (2.5.6).
Для расчета мощности коммутационных потерь справедливо соотношение

, (3.1.1)

где UK, IK – коммутируемые напряжения и токи; TK – период коммутации.

Помимо основного типа тиристоров отечественные и зарубежные изготовители выпускают ряд разновидностей.

Симистор – это симметричный тиристор (рис. 3.1.4,а, б,в), предназначенный для коммутации в цепях переменного тока и заменяет собой цепь из двух встречно параллельно включенных тиристоров с общим электродом управления. Так симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10А при напряжении до 400В.

Запираемые (двухоперационные) тиристоры (рис. 3.1.4,г) позволяют отключать анодный ток подачей отрицательного импульса на управляющий электрод. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. Применение запираемых тиристоров в силовой электронике становится все более широким в диапазоне токов до 200А и напряжений до 1000В.

Фототиристоры и фотосимисторы (рис. 3.1.5,а) – это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением, в которых УЭ заменен инфракрасным светодиодом и фотоприемником со схемой управления. Основным достоинством таких приборов является гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи. Они также могут использоваться для управления более мощными тиристорами или симисторами. Малое потребление цепи управления позволяет включать подобные приборы к выходу микропроцессоров и микро-ЭВМ (рис. 3.1.5,б) для цифрового регулирования тока в нагрузке RН, мощностью до 60 Вт, подключенной к сети переменного тока.

3.2 Структурная схема и принцип действия

управляемого выпрямителя.

Структурная схема УВ (рис. 3.2.1,а) отличается от структурной схемы неуправляемого выпрямителя (рис. 2.1.1) тем, что блок неуправляемых вентилей ВБ заменен на регулируемый вентильный блок (РВБ) и введена система управления (СУ), синхронизируемая напряжением сети.

Регулирование выпрямленного напряжения U0,a при помощи тиристоров основано на сдвиге момента включения управляемого вентиля по сравнению с началом работы неуправляемого вентиля (рис. 3.2.1, в). Соответствующий этому сдвигу угол называют углом включения a. Очевидно, что a можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения u1, т. е. 0≤α≤p. При этом, если тиристор включается при a=180°, то напряжение U0,a=0. Такой способ регулирования называется фазо-импульсным.

Способность УВ изменять выпрямленное напряжение оценивают по его регулировочной характеристике, представляющей собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения U0,α от угла включения.

Для общности результатов регулировочную характеристику U0,α=f(α) часто представляют в нормированном виде

, (3.2.1)

где — напряжение при угле включения, равном нулю (m2 ³ 2). Вид регулировочной характеристики зависит от ряда факторов: схемы выпрямителя, типа фильтра и характера загрузки и т. д.
УВ строятся по тем же принципам, что неуправляемые выпрямители (см. рис.2.2.1). В двухтактных УВ все вентили могут быть управляемыми (симметричная схема, рис. 3.2.2, в, д). С целью упрощения СУ и удешевления УВ можно применить несимметричные схемы (рис. 3.2.2,г), в которых одна группа вентилей (анодная или катодная) заменена на диоды. В УВ с индуктивной нагрузкой для улучшения энергетических характеристик вводится нулевой (ответвляющий) диод VD0 (рис. 3.2.2,б, д).

3.3 Управляемые выпрямители при работе на активную нагрузку.

Эквивалентные схемы тиристорных выпрямителей идентичны схемам замещения неуправляемых выпрямителей (см. схему на рис. 3.3.1,а и на рис. 2.4.1,б). Отличие состоит только в том, что неуправляемые вентили заменяются на управляемые – тиристоры. Сохраняется и методика анализа выпрямительных схем (раздел 2.5).

Многофазные УВ при малых углах включения работают в режиме непрерывного тока (рис. 3.3.1,б), а при больших углах(рис. 3.3.1,г) – в режиме прерывистого тока. Угол включения a, соответствующий границе режимов (рис. 3.3.1,в) непрерывного и прерывистого токов, называется критическим углом

(3.3.1)

У однофазных выпрямителей (рис. 3.3.2,а, б) aкр=0 и при a>0 они работают в режиме прерывистого тока. С учётом (2.5.2) и (3.2.1) нормированное уравнение и график регулировочной характеристики УВ при активной нагрузке имеют вид (рис. 3.3.3)

(3.3.2)

Следует отметить, что с увеличением угла включения a тиристора имеет место быстрый рост коэффициента пульсаций.

3.4 Управляемые однотактные выпрямители

с активно-индуктивной нагрузкой

.

При составлении эквивалентной схемы (рис. 3.4.1,а) использовали предпосылки, изложенные ранее для неуправляемых выпрямителей с активно-индуктивной нагрузкой (раздел 2.6). Под действием ЭДС ток через вентиль протекает и тогда, когда фазная ЭДС вентильной обмотки трансформатора е2 изменила направление. Поэтому при углах включения тиристора a>aкр выпрямленное напряжение u’0,a на входе фильтра имеет участки отрицательного напряжения (рис.3.4.1,в). На этих участках нагрузка является источником энергии, т. е. возвращает ранее накопленную в индуктивности энергию обратно в

питающую сеть. Часть этой энергии теряется в активном сопротивлении R0. При достаточно большой индуктивности L0 (когда pm2wL0>>R0) ток i0,a нагрузки

непрерывен и ток через управляемый вентиль протекает всегда 1/m2 часть периода. В режиме непрерывного тока с учётом (2.5.2) и (3.2.1) уравнение и графики регулировочной характеристики при m2³2 и р=1 имеют вид (рис. 3.4.1,г)

U*0,a = Сosa (3.4.1)

Если запас энергии в магнитном поле индуктивности L0 недостаточен, то напряжение U0,a успевает упасть до нуля раньше, чем отпирается очередной тиристор (рис. 3.4.2,а). Поэтому регулировочная характеристика УВ становится более пологой и описывается уравнением:

(3.4.2)

где l — угол продолжительности тока вентиля, зависящий от отношения . Эффект коммутации за счет индуктивности рассеяния LS обмоток преобразовательного трансформатора как и в неуправляемом выпрямителе (см. раздел 2.8) уменьшает (рис. 3.4.2, б) на интервале угла коммутации g напряжение U0,a до значения .
При этом уменьшается также среднее значение выпрямленного напряжения.

(3.4.3)

Коэффициент пульсаций на входе фильтра определяется по формуле

(3.4.4)

За счет угла коммутации g коэффициент пульсаций дополнительно возрастает.

В управляемых выпрямителях при работе как на активную, так и на активно-индуктивную нагрузку угол a включения оказывает влияние на соотношение между активной и реактивной мощностями. Как можно видеть из рис. 3.4.1, б и в, импульс тока работающего вентиля смещен по фазе относительно фазной ЭДС на угол a (или на угол a+0.5g с учетом эффекта коммутации). Поэтому основная гармоника этого тока, а значит и фазный ток i1,1 выпрямителя (рис. 3.4.3, а), отстает относительно сетевого напряжения U1 на такой же угол (a+0.5g).В результате управляемый выпрямитель нагружает сеть реактивной мощностью как потребитель, обладающий коэффициентом фазового сдвига.

(3.4.5)

где PC и QC­ соответственно активная и реактивная мощность, потребляемая выпрямителем из сети.

В случае работы выпрямителя на индуктивную нагрузку для улучшения коэффициента фазового сдвига в схему включают нулевой или ответвляющий диод VD0 (рис. 3.2.2,б, д и рис. 3.4.4,а). Когда ЭДС е2 становится меньше нуля, то работающий тиристор закрывается и блокировочный диод VD0 открывается. При этом ток в дросселе L0 (совпадающий с током нагрузки i0,α) не прерывается и протекает по контуру L0-R0-VD0. При открывании следующего тиристора нулевой диод VD0 закрывается. Заштрихованные участки кривой тока i0,α (рис. 3.4.4,в) соответствуют току iV0 нулевого диода.

За счёт нулевого диода в кривой u0,a (рис.3.4.4 б) исчезают отрицательные площадки и поэтому регулировочная характеристика и зависимость коэффициента пульсации от угла a становятся такими же, как и при активной нагрузке (см. раздел 3.8).

Нулевой диод улучшает также коэффициент сдвига фазы до значения .

Контрольные вопросы.

1. Устройство, вольтамперная характеристика и принцип действия тиристора.

2. Разновидности тиристоров и их характеристики.

3. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0 ; a=60 электрических градусов в трёхфазном управляемом выпрямителе (m3=3 ; p=1).

4. Какие факторы определяют значение коэффициента мощности управляемого выпрямителя.

5. Почему коэффициент мощности управляемого выпрямителя ниже, чем у неуправляемого.

6. Как влияет ответвляющий диод на составляющие полной мощности УВ и почему.

3.5 Управляемые двухтактные выпрямители.

Трёхфазная двухтактная (мостовая) схема выпрямления (неуправляемая или управляемая) может быть представлена последовательным соединением двух однотактных схем, питаемых от одной группы вентильных обмоток трансформатора (см. раздел 2.5, рис.3.5.1а). Как и в однотактном УВ возможны режимы непрерывного и прерывистого тока (рис.3.5.1,б, в), причём критический угол включения равен

(3.5.1)

Уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для схемы (рис.3.5.1,а)

при 0£a£aкр. и при a>aкр. (3.5.2)

Частота пульсаций fп(1) основой гармоники выпрямленного напряжения, как и в неуправляемом

выпрямителе, равна m2pf1=6f1 (рис.3.5.1,в). Зависимость (рис.3.5.1,г) коэффициента пульсаций Кп(1) от угла регулирования α свидетельствуют о быстром росте Кп(1) с увеличением a. Для однофазной двухтактной схемы УВ уравнение регулировочной характеристики

, при αкр=0 (3.5.3)

При индуктивной реакции нагрузки (pm2wL0>>R0) уравнение регулировочной характеристики в нормированной форме для симметричных двухтактных выпрямителей описывается уравнением (3.4.1).

Несимметричный мостовой выпрямитель (рис. 3.5.2,а) характеризуется тем, что пульсации выпрямленного напряжения при a>0 имеют частоту основной гармоники, равную 3f, что видно из осциллограмм (рис. 3.5.2,в.) Уменьшение частоты пульсации приводит к необходимости применения более мощных фильтров. Зависимости коэффициента пульсации (рис. 3.5.2,г) от угла регулирования для основной (3f) и второй (6f) гармоник свидетельствуют о более медленном росте Кп(2) в сравнении с ростом Кп(1). Уравнение регулировочной характеристики в нормированном виде для схем рис. 3.5.2,а и рис. 3.2.2,г при активном или индуктивном характере нагрузки описывается выражением (3.5.3). По сравнению с симметричным двухтактным трёхфазным УВ несимметричный двухтактный УВ потребляет от питающей сети ток, содержащий как нечётные, так и чётные гармоники. Это приводит к ухудшению мощности искажений.

Преимуществом несимметричного двухтактного УВ является меньшее значение потребляемой из сети реактивной QS мощности.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить осциллограммы u’0,a и i0,a при разных видах нагрузки и a=0, a=60 электрических градусов в трёхфазном симметричном и несимметричном двухтактном выпрямителе.

2. Какие достоинства и недостатки у несимметричных схем управляемых тиристорных выпрямителей.

3. Уравнения регулировочных характеристик трёхфазных симметричных и несимметричных УВ при различных характерах нагрузки.

Для УВ средней и большой мощности характерен режим, когда потребляемый ими ток i1 (рис. 3.4.3,б) несинусоидален, а его первая (основная) гармоника i1,1 смещена относительно фазного напряжения сети u1 на угол j

j=(a+0,5g) (3.6.1)

Это приводит к наличию в УВ помимо активной (полезной) мощности

РС=U1·I1,1·cosφ, (3.6.2)

еще и реактивной мощности

QС=U1·I1,1·sinj, (3.6.3)

а так же так называемой мощности искажений

, (3.6.4)

которая создаётся высшими гармоническими составляющими тока i1. Их удельный вес характеризуют коэффициентом искажения тока

(3.6.5)

где I1,1 – действующее значение первой (основной) гармоники тока i1, а I1 – действующее значение самого тока.

Полная (вольтамперная) мощность УВ

(3.6.6)

Из трёх составляющих этой мощности лишь активная мощность является полезной. Поэтому отношение РС/SC характеризует УВ как сетевую нагрузку и называется коэффициентом мощности КМ. Воспользовавшись уравнениями (3.6.2), (3.6.5), (3.6.6), получим уравнение

КМ=КИ·cosj (3.6.7)

в виде произведения коэффициента искажений тока i1 на коэффициент фазового сдвига последнего относительно напряжения U1. Низкие значения КМ из-за сильно искаженной формы тока i1, либо вследствие большого значения угла регулирования a требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, роста сечения проводов и повышения прочности изоляции. Поэтому стандарт IEC-555 МЭК (Международной Электротехнической Комиссии) ограничивает значение КМ электрооборудования, потребляющего из сети мощность более 300 Вт и имеющего выпрямитель (электробытовые приборы, компьютеры, электронное оборудование, источники питания, электроприводы). Вступающий в действие новый стандарт МЭК IEC ужесточает требования к нормам на коэффициент мощности КМ потребителей энергии и изделий, выходящих на мировой рынок. В связи с этим задача улучшения качества мощности, потребляемой УВ из сети, становится важной для разработчиков электропитающих устройств промышленного оборудования.

Для уменьшения реактивной мощности QS находят применение схемы с ответвляющим (нулевым) диодом (см. раздел 3.4), основным недостатком этих схем является повышение ТС за счёт увеличения искажениё формы тока i2.
Другими способами уменьшения QС и ТС является установка силовых конденсаторов на входе УВ (рис.3.6.2,а), или

применение фильтрокомпенсирующих устройств (рис. 3.6.1) в виде системы многофазных колебательных контуров, настроенных в резонанс напряжения на частоты наиболее интенсивных гармоник тока i1 (5-ю,7-ю, 11-ю и др.)
Указанные меры лишь частично позволяют улучшить КМ, поэтому регулирование напряжения УВ фазоимпульсным методом на практике осуществляется в сравнительно узких пределах и сочетается с другими методами, в том числе с регулированием напряжения переключением ступеней преобразовательного трансформатора и с применением вольтдобавочных схем.

В ступенчато-управляемых выпрямителях (рис. 3.6.2,б) используются контактные (реле) или бесконтактные (симисторы) устройства, подключающие управляемые вентили к различному числу витков вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (при глубоком регулировании уменьшается amax и, следовательно, уменьшаются QС и ТС).

В схемах с вольтдобавкой (рис. 3.6.2,в) минимальное напряжение на выходе обеспечивается неуправляемым выпрямителем на диодах VD1, VD2, а повышенное напряжение достигается включением тиристоров.

В последнее время в УВ находит применение широтно-импульсный метод (ШИМ) регулирования напряжения, основанный на применении полностью управляемых (запираемых) тиристоров. При ШИМ — управлении осуществляется многократное включение и отключение тиристоров в течение полупериода питающего напряжения с постоянной частотой f, значительно (и в целое число раз) превышающей частоту f1 сетевого напряжения.

Выходное напряжение u0,f состоит в этом случае из высокочастотных импульсов (рис.3.6.2,г) регулируемой длительности Ти, а нормированная регулировочная характе-ристика УВ определяется их скважностью

(3.6.8)

где — период повторяемости, причём g принимает значения от 0 до 1.

Контрольные вопросы.

1. Почему в управляемых выпрямителях полная Sc мощность превышает мощность Pн нагрузки.

2. Что такое коэффициент мощности УВ. К каким издержкам приводит работа с низким коэффициентом мощности.

3. Объяснить работу однофазного выпрямителя с нулевым диодом. Почему введение нулевого диода повышает коэффициент мощности.

4. Объяснить принцип действия сетевых фильтрокомпенсирующих устройств.

5. Как изменится мощность искажения Тс, если индук-тивность дросселя фильтра в УВ станет равной нулю.

3.7 Системы управления выпрямителями.

В состав УВ помимо силовой части (рис.3.7.1) входит ещё система управления (СУ),основными функциями которой являются: 1)определение моментов отпирания тиристоров в зависимости от управляющего сигнала Uупр.; 2)распределение сигналов отпирания по фазам для создания симметрии тока в нагрузке ZН; 3)формирование управляющих импульсов необходимой длительности, амплитуды и формы для надёжного включения тиристоров по управляющим электродам последних;

4)осуществление пуска, остановки УВ и защиты от несанкционированных режимов работы. УВ также может иметь контур обратной связи (КОС), на вход которого поступает выходной параметр УВ (напряжение, ток, мощность) для его стабилизации или точного регулирования с помощью СУ.

Системы управления, в которых можно регулировать фазу управляющих импульсов называют ФАЗОИМПУЛЬСНЫМИ. Если угол подачи управляющего импульса отсчитывается от определённой фазы напряжения питающей сети, то такие СУ называют СИНХРОННЫМИ. При АСИНХРОННОМ фазоимпульсном управлении угол подачи управляющего импульса отсчитывают от момента подачи предыдущего импульса управления.

Наиболее распространена структурная схема СУ углом включения тиристора (рис.3.7.2,а), использующая вертикальный метод управления. Схема синхронизации СС, вырабатывающая сигналы Uс (рис.3.7.2,б), подключается к питающей сети m1,f1,U1 и обеспечивает синхронизацию частоты следования импульсов управления Uуэ с частотой питающей сети (или частотой следования моментов естественной коммутации кривых выпрямленного напряжения).

Фазосмещающее устройство ФСУ под действием напряжения управления Uупр, проходящего через усилитель УС, производит изменение угла a включения тиристоров в нужных пределах (рис.3.7.2,б). При вертикальном методе управления ФСУ содержит генератор развёртки ГР (чаще всего генератор пилообразного напряжения) и компаратор К. ГР может быть выполнен по схеме с диодным коммутатором, на транзисторе, на интегральном операционном усилителе с конденсатором в цепи обратной связи и т. п. Компаратор может выполнятся на однопереходном транзисторе, триггере Шмидта, операционном усилителе, логическом элементе и т. п.

Формирователь управляющих импульсов ФУИ служит для выработки сигналов управления тиристоров с требуемыми параметрами. ФУИ подразделяют на транзисторные, тиристорные и оптронные. Некоторые схемы управления углом включения тиристора рассмотрены в /5/.

Цифровая система управления углом a включения тиристора вырабатывает в цифровой форме код фазы управляющих импульсов и преобразует его в фазу импульсов управления. В цифровом фазосмещающем устройстве на рис.3.7.3,а управляющий четырёхразрядный код Ку принимает 16 значений от 0000 до 1111 и подаётся в параллельном виде на цифровую схему сравнения ЦСС.

Опорный сигнал также представляется в виде кода K0п и формируется вычитающим счетчиком СТ, ко входу «-1» которого подключен мультивибратор МВ, вырабатывающий прямоугольные импульсы с частотой fмв=32fсети. Начало формирования опорного кода (рис. 3.7.3,б) соответствует моменту естественной коммутации вентилей УВ. Момент поразрядного равенства Ку и K0п фиксируется ЦСС и

соответствует углу управления a. При этом на выходе ЦСС формируется логический сигнал 0. Он поступает на выходной формирователь СУ и после усиления подается на управляющий электрод тиристора. Переход к цифровой форме управления

позволяет повысить точность, помехозащищенность и

быстродействие систем управления.
Наиболее эффективным способом улучшения СУ является применение в нем микропроцессоров (программно-управляемых устройств для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки, выполненных по технологии больших интегральных схем и размещенных на миниатюрном кремниевом кристалле площадью около 30 мм2). Благодаря малым размерам микропроцессор легко встраивается в СУ (рис. 3.7.4), возможности которой в результате существенно расширяются. АЦП1 и АЦП2 преобразуют аналоговые (непрерывные во времени) сигналы задатчика Uзад и обратной связи U­ос в цифровые коды Ni(Uзад) и Ni(Uoc) соответственно.

Последние пересылаются с выходов АЦП в МПК в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т, 3Т,…, задаваемые таймером. По цифровым кодам, представляющим текущие значения Uoc и Uзад, МКТ рассчитывает (в соответствии с алгоритмом управления и реализующей его программы) сигналы управляющего воздействия и выдаёт их в цифровом виде Ni(Uупр) через выходной порт в ВФИ, активизируя его работу в нужные моменты времени для управления СЧ с целью получения выходного напряжения Uo, a с необходимыми параметрами. Основными достоинствами микропроцессорного управления являются гибкость и универсальность, возможность перестройки алгоритма управления путём изменения обрабатывающей программы, расширение функций СУ, технологичность, высокая надёжность, ремонто­

пригодность.Мощность сигнала с выхода ФСУ (аналогового, цифрового или микропроцессорного) обычно невелика. ВФИ обеспечивают усиление и формирование импульсов управления по форме, амплитуде и длительности перед их подачей на УЭ тиристора (рис. 3.7.5,а). Диаграмма управления последнего (рис. 3.7.5,д) имеет область гарантированного отпирания, расположенную между граничными кривыми «А» и «В». На диаграмме проводятся линии максимально допустимых значений напряжения Uуэ, доп и тока Iуэ, доп, а также кривая допустимой средней мощности потерь на управляющем электроде. При импульсном управлении допустимая импульсная мощность определяется по формуле:
(3.7.1)

Если длительность управляющих импульсов t­и<50мкс, то максимальное значение тока УЭ необходимо увеличить (рис. 3.7.5,в). Оптимальный по форме управляющий импульс (рис. 3.7.5,а) имеет крутой (крутизна нарастания тока

0,2…2,0 А/мкс), короткий (£0,1мс) пик с максимальным значением (–максимальное значение импульса, вырабатываемого ВФИ) и предназначен для чёткого включения тиристора VS. Следующий за пиком пьедестал (его ширина определяется значениями угла коммутации g и тока удержания тиристора) обеспечивает гарантированное открывание тиристора в УВ большой и средней мощности. Для улучшения устойчивости тиристора к самоотпиранию на УЭ подают отрицательное смещение величиной (0,5…2,5)В. Несимметрия управляющих импульсов по фазе не должна превышать (1,5…2,5) эл. градусов.

Необходимая длительность управляющих импульсов во многом зависит от схемы выпрямления и характера нагрузки. Так в трёхфазном двухтактном УВ в режиме прерывистых токов необходимы широкие управляющие импульсы, длительностью более 60 электрических градусов, либо сдвоенные узкие импульсы со сдвигом 60 электрических градусов. В УВ, предназначенных для работы на якорь двигателя постоянного тока, применяют сдвоенные узкие импульсы длительностью 7…10 электрических градусов (400…550мкс), а в УВ, предназначенных для работы на обмотки возбуждения электрических машин (постоянного тока или синхронных) – широкие импульсы длительностью 70…120 электрических градусов (3,9…6,6мс).

Получить текст

Параметры двухфазных устройств

Двухфазные выпрямители производятся для цепей постоянного и переменного тока. Многие модификации эксплуатируются на триодах контактного типа. Если говорить про параметры модификаций, то стоит отметить малое напряжение при больших перегрузках. Таким образом, устройства плохо подходят для силовых трансформаторов. Однако преимуществом устройств считается хорошая проводимость.

Чувствительность у моделей стартует от 55 мВ. При этом тепловые потери незначительные. Компараторы применяются на две обкладки. Довольно часто модификации подключают через один переходник. При этом изоляторы предварительно проверяются на выходное сопротивление.

Контроль работоспособности

Перед установкой тиристора в схему необходимо убедиться в его исправности. Целостность детали проверяется мультиметром или лампочкой, подключённой к источнику питания.

На измерительном приборе устанавливают функцию прозвонки. Сначала щупы присоединяют к аноду и катоду попеременно в прямом и обратном направлении. Цифра «1» на дисплее укажет, что ток не проходит, и деталь исправна. Затем прозванивают линию от анода до сигнального контакта.

Одна из цепей должна быть оборвана, а другая покажет небольшое сопротивление. Если в обоих случаях мультиметр обнаружит одинаковый результат, то тиристор неисправен.

Работоспособность детали можно проверить, собрав простую электрическую цепь. Анодный контакт присоединяют к «плюсовому» зажиму батарейки. Катод замыкают на «минус» источника питания через лампочку. Куском провода кратковременно смыкаются анодный и управляющий выводы. Лампа должна загореться и не гаснуть после разрыва цепочки «анод — управляющий электрод».

Вам это будет интересно Схема подключения однофазного электросчётчика Меркурий 201

Работающий осветительный прибор указывает на исправность тиристора. При проверке необходимо учитывать величину подаваемого напряжения, которая должна быть достаточной для включения лампы.

Трехфазные модификации

Трехфазные выпрямители активно применяются на силовых трансформаторах. У них очень высокий параметр перегрузки, и они способны работать в условиях повышенной частотности. Если говорить про конструктивные особенности, то важно отметить, что модели собираются с конденсаторными блоками. За счет этого модификации разрешается подключать к цепи постоянного тока и не бояться про волновые помехи. Импульсные скачки блокируются за счет фильтров. Подключение через переходник осуществляется при помощи преобразователя. У многих моделей имеется три изолятора. Выходное напряжение при 3 А не должно превышать 5 В.

Дополнительно стоит отметить, что выпрямители этого типа используются при больших перегрузках сети. Многие модификации оснащаются блокираторами. Понижение частоты происходит при помощи компараторов, которые устанавливаются над конденсаторной коробкой. Если рассматривать релейные трансформаторы, то для подключения модификаций потребуется дополнительный переходник.

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод — катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

Модели с контактным компаратором

Управляемые выпрямители с контактным компаратором в последнее время пользуются большим спросом. Среди особенностей модификаций стоит отметить высокую степень перегрузки. Системы защиты в основном применяются класса Р55. Работают устройства с одной конденсаторной коробкой. При напряжении 12 В выходной ток равен не менее 3 А. Многие модели способны похвастаться высокой проводимостью при частоте 5 Гц.

Стабилизаторы довольно часто применяются низкоомного типа. Они хорошо себя показывают в цепи переменного тока. На производстве выпрямители применяются для работы силовых трансформаторах. Допустимый уровень проводимости у них равен не более 50 мк. Рабочая температура в данном случае зависит от типа динистора. Как правило, они устанавливаются с несколькими обкладками.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность. Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Устройства с двумя компараторами

Электронные выпрямители с двумя компараторами ценятся за высокий параметр выходного напряжения. При перегрузке в 5 А модификации способны работать без тепловых потерь. Коэффициент сглаживания у выпрямителей не превышает 60 %. Многие модификации обладают качественной системой защиты серии Р58. В первую очередь она призвана справляться с волновыми помехами. При частоте 40 Гц устройства в среднем выдают 50 мк. Тетроды для модификаций используются переменного типа, и чувствительность у них равна не более 10 мВ.

Есть ли недостатки у выпрямителей данного типа? В первую очередь надо отметить, что их запрещается подключать к понижающим трансформаторам. В сети постоянного тока у моделей малый параметр проводимости. Рабочая частотность в среднем соответствует 55 Гц. Под однополюсные стабилизаторы модификации не подходят. Чтобы использовать устройства на силовых трансформаторах, применяется два переходника.

SCR тиристоры с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод — управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Отличие модификаций с электродным триодом

Управляемые выпрямители с электродными триодами ценятся за высокий параметр выходного напряжения. При низких частотах они работают без тепловых потерь. Однако стоит учитывать, что параметр перегрузки в среднем равен 4 А. Все это говорит о том, что выпрямители не способны работать в сети постоянного тока. Фильтры разрешается применять лишь на две обкладки. Выходное напряжение, как правило, соответствует 50 В, а система защиты используется класса Р58. Для того чтобы подключить устройство, применяется переходник. Коэффициент сглаживания у выпрямителей данного типа составляет не менее 60 %.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR1 и SCR3 должны быть запущены одновременно, и SCR2 и SCR4 должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR2 и SCR4 в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR4, он не запустит должным образом SCR2, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR2 и SCR4

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR1 и SCR3, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Модели с емкостным триодом

Управляемые выпрямители с емкостным триодом способны работать в сети постоянного тока. Если рассматривать параметры модификаций, то можно отметить высокое входное напряжение. При этом перегрузка при работе не будет превышать 5 А. Система защиты используется класса А45. Некоторые модификации подходят для силовых трансформаторов.

В данном случае многое зависит от конденсаторного блока, который установлен в выпрямителе. Как утверждают эксперты, номинальное напряжение многих модификаций составляет 55 В. Выходной ток в системе составляет 4 А. Фильтры для модификаций подходят переменного тока. Коэффициент сглаживания у выпрямителей составляет 70 %.

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Устройства на базе канального триода

Управляемые выпрямители с канальными триодами отличаются высокой степенью проводимости. Модели данного типа замечательно подходят для понижающих трансформаторов. Если говорить про конструкцию, то стоит отметить, что модели всегда производятся с двумя коннекторами, а фильтры у них используются на изоляторах. Если верить экспертам, то проводимость при частоте 40 Гц сильно не меняется.

Есть ли недостатки у данных выпрямителей? Тепловые потери являются слабой стороной модификаций. Многие эксперты отмечают низкую проводимость коннекторов, которые устанавливаются на выпрямители. Чтобы решить проблему, применяются кенотроны. Однако их не разрешается использовать в сети постоянного тока.

Отличие модификаций

Выпрямители на 12 В используются только для понижающих трансформаторов. Компараторы в устройствах устанавливаются с фильтрами. Предельная перегрузка модификаций составляет не более 5 А. Системы защиты довольно часто применяются класса Р48. Для преодоления волновых помех они замечательно подходят. Еще часто применяются преобразовательные стабилизаторы, у которых высокий коэффициент сглаживания. Если говорить про недостатки модификаций, то стоит отметить, что выходной ток в устройствах составляет не более 15 А.