Элемент управляемых выпрямителей - тиристор

В источниках питания тиристор используется для регулирования (стабилизации) напряжения в управляемых выпрямителях и стабилизаторах напряжения в цепи переменного тока. Изменение фазы подачи управляющего импульса на тиристор по отношению к точке "естественной" коммутации (коммутация в неуправляемых выпрямителях) изменяется уровень напряжения в нагрузке. Кроме того, тиристор нашел широкое распространение в защитных устройствах.

Тиристор имеет четырехслойную структуру с тремя p-n переходами. Его быстрое включение при подаче импульса управления (по отношению к катоду или аноду) обеспечивается внутренней, положительной обратной связью по току. При поступлении U_УПР на базу VT2 увеличивается коллекторный ток IК2 , что приводит к возрастанию тока базы транзистора VT1 и увеличению его коллекторного тока I_К1, происходит лавинное открывание тиристора.

На вольт- амперной характеристике тиристора (ВАХ) участок ОА соответствует открытым переходам П1 и П3 и закрытому переходу П2, к тиристору прикладывается прямое положительное напряжение U_ПР и отсутствует импульс управления на управляющем электроде (УЭ), что соответствует закрытому состоянию полупроводника. Участок БВ соответствует ВАХ полупроводникового диода, когда все p - n переходы открыты. Напряжение U_{пр max} соответствует динисторному режиму, когда открывание тиристора происходит при достижение граничного значения прямого напряжения (U_{пр max}) при токе управления равным нулю. Это позволяет управлять включением тиристора без использования системы управления. Участок ОГ ВАХ соответствует открытому переходу П2 и закрытым переходам П1 и П3. Для обеспечения гарантированного включения тиристора необходимо подобрать по мощности и длительности сигнал управления тиристором. Если значение прямого напряжения UПР мало, то необходимо увеличить управляющий ток I_У (смотри ВАХ тиристора).

Условием включения тиристора является подача положительного импульса управления на УЭ с определенной длительностью (с учетом времени включения тиристора) при положительном прямом напряжении между анодом (А) и катодом (К). Условием выключения тиристора является снижение прямого тока ниже уровня тока удержания (I_УД), который близок к нулю. При выключении тиристора необходимо выдержать время, необходимое для гарантированного его выключения (время выключения тиристора достаточно большое и составляет несколько десятков мкс). Для выключения тиристора достаточно приложить обратное напряжение или снизить ток в цепи до нуля.

На рисунке изображена ВАХ управляющего перехода тиристора:

Заштрихованная область ВАХ соответствует пределам допустимой мощности сигнала управления для обеспечения гарантированного отпирания тиристора. Нижние границы учитывают температуру полупроводникового элемента. В зависимости от длительности управляющего сигнала изменяется верхняя граница допустимой мощности сигнала (P_ДОП). Вторая ВАХ определяет границы максимальной температуры и минимального сопротивления управляющего p-n перехода, первая ВАХ определяет границы минимальной температуры и максимального сопротивления управляющего p- n перехода.

Существуют требования к динамическим параметрам тиристора: скорости изменения прямого тока тиристора di_пр/dt и скорости изменения прямого напряжения тиристора dU_пр/dt. Для регулирования скорости изменения тока последовательно с тиристором включают уравнительный реактор. Достаточно одного витка в дросселе, чтобы ограничить скорость нарастания тока, поэтому на проводник надевается ферритовое кольцо.

При увеличении скорости изменения прямого напряжения U_пр, может возникнуть самопроизвольное включение элемента.

Для ограничения скорости нарастания прямого напряжения параллельно тиристору включается RVDC-цепь. Конденсатор ограничивает уровень всплесков напряжения, что исключает возникновение аварийного режима (перенапряжения), а диод обеспечивает рекуперацию энергии.

На рисунке показана схема, формирующая управляющий сигнал на тиристор.

Трансформатор T обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи и системы управления и повышает уровень напряжения управляющего сигнала, транзистор увеличивает мощность сигнала. При подаче управляющего импульса с системы управления на транзисторный ключ VT1 протекает ток по контуру: "+" U₁; первичная цепь трансформатора Т; коллектор- эмиттер VT1; "-" U₁. В цепи намагничивания трансформатора T накапливается реактивная энергия, которая вызывает появления отрицательного выброса напряжения в форме импульса управления. Индуктивность рассеяния и емкостью коллекторного перехода VT1 приводят к появлению всплесков напряжения на "переднем фронте" импульса управления (переходный процесс). Во избежание "ложного" включения тиристора во вторичной цепи трансформатора установлены: выпрямительный диод VD1 и диод рекуперации VD2.

Симметричный управляемый выпрямитель (однофазный, двухтактный)

На рисунке показана принципиальная схема симметричного управляемого выпрямителя и временные диаграммы токов и напряжений.

На интервале времени [0; p] к тиристорам VS1 и VS4 приложено прямое положительное напряжение. В момент времени a1 на управляющий электрод этих тиристоров подается импульс управления. Тиристоры открываются, во вторичной обмотке трансформатора наводится ЭДС и напряжение U2 передается в нагрузку. При работе на активную нагрузку в момент p (из-за снижения анодного тока ниже тока удержания) происходит запирание тиристоров VS1 и VS4 . На интервале [p; p+a2] в нагрузке напряжение равно нулю, т.к. происходит задержка подачи управлющего импульса на угол a2.

При работе на индуктивную нагрузку (ключ S разомкнут) на интервале [p; p+a2] отрицательное напряжение U2 передается в нагрузку. Ток в цепи выпрямителя (I_L) имеет положительное значение и тиристоры VS1, VS4 остаются в открытом состоянии; тиристоры VS2, VS3 не открылись, т.к. на них не поступили управляющие импульсы. На этом интервале происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в источник U₁. Этот режим называется инверторным режимом работы выпрямителя. Появление отрицательного "выброса" напряжения в составе выпрямленного напряжения снижает его уровень. Для исключения этого явления используют обратный диод, включенный параллельно нагрузке или переходят к несимметричной схеме выпрямителя.

Регулировочная характеристика управляемого выпрямителя

Регулировочная харктеристика управляемого выпрямителя - это зависимость средневыпрямленного значения напряжения U_0a от угла регулирования a. Для стабилизации выходного напряжения в управляемом выпрямителе используют фазовый способ регулирования. При возрастании входного напряжения U₁ или уменьшении тока нагрузки увеличивают угол регулирования a для поддержания постоянства напряжения в нагрузке U_0a в заданных пределах.

Диапазон регулирования в управляемых выпрямителях определяется следующими параметрами:

1. нестабильностью входного напряжения U₁;
2. диапазоном тока нагрузки (I_0min; I_0max);
3. характером нагрузки (активная, активно- индуктивная нагрузка);
4. допустимым минимальным значением угла регулирования, который зависит от дрейфа фазного напряжения, инерционности системы управления, динамических параметров тиристоров;
5. температурной зависимостью параметров полупроводников.

Для построения регулировочной характеристики получим выражение для средневыпрямленного напряжения при активной нагрузке:

При активно- индуктивной нагрузке:

При индуктивной нагрузке в симметричной схеме выпрямителя диапазон регулирования выходного напряжения уменьшается в два раза. Графическая зависимость 2 (см. рисунок ниже) соответствует "прерывистому" режиму тока дросселя (из-за малой величины тока нагрузки или малой индуктивности фильтра). Величина энергии, накапливаемой в дросселе равна W_ЭЛ = (L*I_L²)/2. Ток в цепи выпрямителя спадает до нуля раньше, чем приходит управляющий импульс на тиристоры, что уменьшает интервал воздействия отрицательного напряжения на нагрузку. Следовательно, увеличится уровень средневыпрямленного значения напряжения.

Графическая зависимость 1 соответствует непрерывному режиму тока дросселя. Величина индуктивности дросселя должна быть достаточно большой, чтобы во всем диапазоне изменения тока нагрузки обеспечивался непрерывный режим его протекания.

При проектировании управляемого выпрямителя рассчитывается диапазон изменения угла регулирования [amax; amin].

Максимальный угол регулирования (a_max) определяется для регулировочной характеристики при максимальном отклонении входного напряжения при заданном уровне выходного напряжения. Необходимо учитывать потери на токораспределительной сети и на внутреннем сопротивлении выпрямителя. Минимальный угол регулирования (a_min) должен учитывать "дрейф" фазы в силовой цепи, системы управления. Он определяется при минимальном уровне входного напряжения.

Симметричный выпрямитель с обратным вентилем

На рисунке изображена принципиальная схема симметричного выпрямителя с обратным диодом. При положительном уровне входного напряжения U1 и подачи управляющего импульса на тиристоры VS1 и VS4 с фазовой задержкой на угол a, происходит открывание тиристорных ключей, во вторичной цепи наводится ЭДС и напряжение U₂ передается в нагрузку. В дросселе сглаживающего фильтра накапливается реактивная энергия. На интервале [p; p+a] происходит рекуперация реактивной энергии через обратный диод VD в нагрузку. Тиристорные ключи VS1 и VS4 закрываются и отрицательный полуволна напряжения U₂ не передается в нагрузку.

К достоинствам данной схемы относятся: широкий диапазон регулирования выходного напряжения (a_max =180°); высокий уровень выходного напряжения. Недостатки схемы: большее количество элементов силовой цепи по сравнению с симметричной схемой без обратного диода и несимметричной схемой. Последнее увеличивает габариты устройства и снижает его надежность.

Несимметричный выпрямитель

В промышленности нашла широкое распространение несимметричная схема выпрямления из-за ряда достоинств: простота управления; широкого диапазона регулирования выходного напряжения; высокого уровня выходного напряжения; высокой надежности; малых габаритов.

На интервале [a; p] ток дросселя протекает по контуру: "+" U₂; диод VD1; сопротивление нагрузки (LН; RН); тиристор VS2; "-" U₂. Происходит накопление реактивной энергии в дросселе фильтра. На интервале [p; p+a] происходит рекуперация реактивной энергии дросселя в нагрузку по контуру, изображенному красным цветом (через включенные VS2 иVD2). Этот контур возникает потому, что произошла смена полярности напряжения U₂ и к диоду VD2 прикладывается прямое падение напряжение, он открывается. Тиристор VS2 еще не закрылся, т.к. анодный ток не снизился ниже тока удержания (из-за влияния дросселя), а тиристор VS2 не включился, так как не пришел управляющий импульс.

Структурная схема системы управления

Существует две структуры построения системы управления (СУ) в управляемых выпрямителях:

• одноканальная, где формирование сигналов управления происходит в общем канале, а на выходе канала выполняется распределение импульсов управления по каналам. Такая структура используется при большой асимметрии в трехфазных системах. Достоинством одноканальной структуры является: простота системы управления, недостатком - низкое быстродействие и плохое качество стабилизации выходного напряжения выпрямителя.
• многоканальная, в которой все каналы построены по одной структуре . Достоинством многоканальной схемы является: высокое быстродействие и качество стабилизации напряжения в нагрузке, широкий диапазон регулирования. Не допускается использование данной структуры при асимметрии фазных напряжений в трехфазной системе. Эта схема более дорогостоящая по сравнению с предыдущей.

Требования к системе управления:

1. Необходима синхронизация управляющих сигналов с напряжением питающей сети, что легко реализуется введением дополнительной обмотки силового трансформатора во вторичной цепи для питания СУ (смотрите ниже схему СУ).
2. Обеспечение диапазона регулирования выходного напряжения с учетом всех дестабилизирующих факторов, что обеспечивается подбором параметров пилообразного напряжения ("размаха") в системе управления при использовании метода широтно-импульсной модуляции для стабилизации выходного напряжения.
3. Мощность импульсов управления должна соответствовать паспортным данным тиристоров для обеспечения гарантированного включения элементов.
4. Должна обеспечивать гальваническую развязку силовой цепи и СУ. С этой целью используется синхронизирующий входной трансформатор и выходной импульсный трансформатор.
5. Должна исключать вероятность возникновения режима сквозных токов, обусловленного инерционностью элементов силовой цепи и системы управления. Для этого подбирается определенная длительность синхроимпульсов.
6. Должна блокировать подачу управляющих сигналов на тиристор во избежание возникновения аномальных режимов работы силовой цепи.
7. Должна исключать помехи со стороны входных цепей во избежания ложных включений тиристоров. Это обеспечивается введением помехоподавляющих фильтров на входе каналов.

На рисунке изображены графические зависимости для напряжений СУ.

За счет выполнения трансформатора со средней точкой, напряжения U₂₁ и U₂₂ сдвинуты по отношению друг другу на 180 градусов. Прямоугольные импульсы напряжения на выходе тактового генератора формируются посредством сравнения фазного напряжения с эталонным напряжением (U_пор), которое значительно ниже по уровню относительно фазного напряжения. Синхроимпульсы формируются в момент прохождения входного напряжения через ноль. Длительность синхроимпульса выбирается с учетом времени выключения тиристора и минимального угла регулирования выходного напряжения. За интервал прохождения синхроимпульса конденсатор, установленный в цепи генератора пилообразного напряжения должен успеть разрядиться до минимального уровня (U_по). На конечном фронте синхроимпульса наступает процесс заряда кондесатора в цепи генератора пилообразного напряжения. Постоянная цепи заряда кондесатора должно быть больше периода коммутации тиристорных ключей для обеспечения высокого качества стабилизации напряжения на выходе выпрямителя.

При увеличении входного напряжения U₁ в первоначальный момент времени из-за инерционности системы управления происходит увеличение напряжения на выходе выпрямителя и напряжения обратной связи (снимаемого с нижнего плеча делителя напряжения R_Д2). При сравнении напряжения обратной связи с пилообразным напряжением в компараторе напряжения уменьшается площадь, отсекаемая напряжением U_ос, что приводит к уменьшению длительности широтно- модулированного сигнала. На выходе дифференцирующего звена фиксируется начало и конец ШИМ - сигнала и происходит смещение положительного импульса напряжения на угол a (больший, чем в предыдущем периоде). Усилитель мощности формирует положительный импульс напряжения определенной мощности, необходимой для гарантированного включения тиристора. Трансформаторы Т, Т1 и Т2 обеспечивают гальваническую развязку по входу и выходу. Сигналы управления на выходе системы управления UVS1 и UVS2 приходят с большим фазовым сдвигом по отношению к точке естественной коммутации (a=0), что приводит к уменьшению уровня выпрямленного напряжения, то есть оно восстанавливается.