Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не только преобразовывал переменное напряжение, но и был способен изменять его значение. Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называются управляемыми выпрямителями . Основным элементом управляемых выпрямителей является тиристор (хотя можно влепить и транзистор).
Рис. 1 - Управляемый однополупериодный выпрямитель
Управление выходным выпрямленным напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора. Это делается короткими импульсами с крутым фронтом (иголка). Если тиристор открыт в течении всего полупериода, то на выходе получается пульсирующее напряжение, аналогично неуправляемому выпрямителю. При изменении времени задержки отпирания тиристоров меняется выпрямленное напряжение в сторону уменьшения. Это видно из графиков ниже. Для каждой задержки соответствует определенный угол сдвига по фазе между напряжением на тиристоре и сигналом управления. Этот угол называется углом управления или регулирования и определяется как α=ωt з . t з - то самое время задержки, ω - угловая частота (ω=2πf).
Рис. 2 - Принцип управления выпрямленным напряжением задержкой открывания тиристоров
Управлять тиристором можно, например, с помощью вот такого фазовращателя:
<
Рис. 3 – Фазовращатель
Ниже на рисунке показана схема однофазного двуполупериодного управляемого выпрямителя импульсно-фазовым управлением.
Рис. 4 - Однофазный двуполупериодный управляемый выпрямитель
Напряжение с выхода фазовращателя R1C1 поступает на вход усилителей-ограничителей (VT1, VT2). Диоды VD5, VD6 срезают положительные полуволны этого напряжения. Напряжение трапециидальной формы с выхода усилителей ограничителей поступает на дифференцирующие цепи R4C2, R5C3, а затем на управляющие входы тиристоров VS1, VS2. Диоды VD7, VD8 предотвращают попадание отрицательных импульсов на управляющие электроды тиристоров. Усилители ограничители питаются от отдельного выпрямителя VD1-VD4.
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме с нулевым выводом трансформатора (одноплечевые) и по мостовой схеме (двухплечевые). Принцип действия и характеристики однофазных управляемых выпрямителей рассмотрим на примере схемы с нулевым выводом трансформатора (рис.5.4).
Рис.5.4. Однофазный управляемый выпрямитель
Рассмотрим работу управляемого выпрямителя на активно- индуктивную нагрузку с противо эдс.
Временные диаграммы напряжений и токов, приведенные на (рис.5.5,а-е), поясняют работу схемы.
В момент времени от системы управления (СУ) выпрямителя поступает импульс на управляющий электрод тиристора Т1. В результате отпирания тиристор Т1 подключает нагрузку на напряжение вторичной обмотки трансформатора. На нагрузке на интервале формируется напряжение (затемненная область на рис.5.5,б), представляющее собой участок кривой напряжения .Через нагрузку и тиристор Т1 протекает один и тот же ток. При переходе напряжения питания через нуль ток тиристора Т1 продолжает протекать вследствие того, что в нагрузке включена индуктивность. В кривой выходного напряжения создаются отрицательные участки.
Очередной отпирающий импульс подается на тиристор Т2. Отпирание этого тиристора приводит к запиранию Т1. При этом к нагрузке прикладывается положительное напряжения той же формы, что и на интервале проводимости тиристора Т1. На интервале проводимости тиристора Т2, сумма напряжений вторичных обмоток трансформатора подключаются к тиристору Т1, вследствие чего, с момента отпирания тиристора Т2, на тиристоре Т1 действует обратное напряжение (рис.5.5,е). В последующем процессы в схеме следуют аналогично, рассмотренным выше. Токи тиристоров показаны на рис.5.5,г,д, а ток нагрузки - на рис.5.5,в.
Потребляемый из сети ток i 1 показан на рис.5.5,а. Первая гармоника потребляемого тока i 1 (1) отстает от напряжения сети по фазе. Это приводит к потреблению выпрямителем из сети реактивной мощности, что неблагоприятно сказывается на энергетических характеристиках.
Рассмотренный фазовый метод управления может быть реализован с помощью фазосдвигающих способов, одним из которых является вертикальный способ управления, основанный на сравнении опорного напряжения (обычно пилообразной формы) и постоянного напряжения сигнала управления. Равенство мгновенных значений этих напряжений определяет фазу , при которой схема вырабатывает импульс, затем усиливаемый и подаваемый на управляющий электрод тиристора. Изменение фазы управляющего импульса достигается изменением уровня входного напряжения управления . Функциональная схема такого управления приведена на рисунке 5.6.
Опорное напряжение, вырабатываемое генератором пилообразного напряжения ГПН и синхронизированное с напряжением сети с помощью синхронизированного с сетью генератора импульсов (ГИ), подаётся на схему сравнения СС, на которую одновременно поступает и входное управляющее напряжение u У (сигнал управления). Сигнал со схемы сравнения поступает на распределитель импульсов (РИ) и далее на оконечные усилители мощности (У), откуда в виде мощного, обладающего крутым фронтом и регулируемого по фазе импульса, подаётся на управляющий электрод тиристора.
Обычно между распределителем импульсов и оконечными усилителями используются схемы гальванической развязки, что на рис.5.6 условно показано ломаной стрелкой.
Одной из важнейших особенностей управляемого выпрямителя является его способность регулировать среднее значение выпрямленного напряжения при изменении угла . Если индуктивность в цепи нагрузки достаточно велика* для поддержания тока при отрицательном напряжении, то зависимость среднего выходного напряжения от угла управления находится из выражения:
(5.1)
где -амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Тиристорные преобразователи частоты (инверторы) представляют собой устройства, преобразующие постоянное или переменное напряжение в переменное заданной частоты. Большинство современных тиристорных инверторов позволяют осуществлять изменение частотной характеристики выходного напряжения в требуемых пределах, благодаря чему они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта, например, для плавной регулировки скорости вращения асинхронных электродвигателей, обеспечения необходимого режима электропитания плавильных печей и т.п. Несмотря на то, что в последнее время все большее распространение получают преобразователи частоты на IGBT, тиристорные инверторы по-прежнему доминируют там, где необходимо обеспечить большие мощности (вплоть нескольких мегаватт) с выходным напряжением в десятки киловольт. Именно то, что тиристорные преобразователи частоты имеют высокий КПД (до 98%), способны успешно справляться с большими напряжениями и токами, а также выдерживать при этом импульсные воздействия и довольно продолжительную нагрузку, является их основным достоинством. Ниже приведена блок-схема наиболее типичного современного тиристорного преобразователя с явно выраженным звеном постоянного тока.
 |
В выпрямителе (В) входное переменное напряжение выпрямляется и поступает в фильтр (Ф), где оно сглаживается, фильтруется, после чего опять преобразуется инвертором (И) в переменное, которое может регулироваться по таким параметрам, как амплитуда и частота.
При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с такой проблемой, что при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатор рассеивается большая мощность. До настоящего времени в большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что использование источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, усложняется также дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ.
Выходом мне показалось использование управляемого выпрямителя на тиристоре т. к. появляется возможность создания источника питания, управляемого одной ручкой установки выходного напряжения или одним управляющим сигналом с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля (или почти от нуля) до максимального значения. Такой источник питания можно будет изготовить из готовых деталей, имеющихся в продаже.
К настоящему моменту управляемые выпрямители с тиристорами описаны и весьма подробно в книгах по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания применяются редко. В любительских конструкциях они также редко встречаются (кроме, конечно, зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов). Надеюсь, что настоящая работа поможет изменить это положение дел.
В принципе, описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах “Электроника Ц432”. Приведенные здесь схемы могут также быть использованы для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.
Описание своих работ я привожу не в том порядке как я их проводил, а более или менее упорядочено. Сначала рассмотрим общие вопросы, затем “низковольтные” конструкции типа источников питания для транзисторных схем или зарядки аккумуляторов и затем “высоковольтные” выпрямители для питания схем на электронных лампах.
Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку
В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.
Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.
Рис. 1.
Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке U н выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Для ясности изложения предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке U н , а выпрямление производится другими приборами.
Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения (нижняя полуволна синусоиды “вывернута” вверх), обозначенные U выпр . Частота пульсаций f п на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100 Hz при питании от сети 50 Hz . Схемауправления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой t з относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя U выпр становится равным нулю.
Рис. 2.
Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка t з превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристора, тем меньше получится выпрямленное напряжение U н на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке U н сглаживаются конденсатором фильтра C ф . Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается что подзаряд емкости фильтра C ф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, однако, обычно намного меньше периода пульсаций Т п.
Теперь представим, что задержка момента включения тиристора t з равна половине периода пульсаций (см. рис. 3). Тогда тиристор будет включаться, когда напряжение на выходе выпрямителя проходит через максимум.
Рис. 3.
В этом случае напряжение на нагрузке U н также будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).
Здесь мы и сталкиваемся с проблемой. Предположим, что мы хотим регулировать напряжение на нагрузке почти от нуля до наибольшего значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущения потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в момент, когда U выпр проходит через максимум, т. е. t з = T п /2. С учетом того, что тиристор открывается не моментально, а подзарядка конденсатора фильтра C ф также требует некоторого времени, запускающий импульс нужно подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. t з < T п /2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения t з , частота сети, а значит, частота и период T п пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке U н возникает желание включать тиристор намного раньше половины периода пульсаций.
Предположим, что так мы и поступили, т. е. установили время задержки t з намного меньшее Т п /2. Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра C ф (см. первый импульс на рис. 4).
Рис. 4.
Оказывается, что при малом времени задержки t з возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор запускающего импульса напряжение на нагрузке U н оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя U выпр . В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием запускающего импульса. Один или несколько запускающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис. 4). Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.
Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет проходить постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.
Для того чтобы избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора вероятно можно отказаться от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Поэтому автор разработал схему тиристорного регулятора в которой тиристор нормально запускается управляющими импульсами и колебательного процесса не возникает. Такая схема приведена на рис. 5.
Рис. 5.
Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление R п , а конденсатор фильтра C R н подключены через пусковой диод VD п . В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра C ф .После подачи запускающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление R п и, затем, когда напряжение на R п превысит напряжение на нагрузке U н , открывается пусковой диод VD п и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра C ф . Сопротивление R п выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса t з . Понятно, что на пусковом сопротивлении бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, тогда можно будет применить пусковое сопротивление большой величины и уменьшить потери мощности.
Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод VD п , на котором бесполезно теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление R п к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление R п приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.
Рис. 6.
Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором
Ниже приводится описание нескольких конструкций низковольтных выпрямителей с тиристорным регулятором. При их изготовлении я взял за основу схему тиристорного регулятора, применяемого в устройствах для заряда автомобильных аккумуляторов (см. рис. 7). Эта схема успешно применялась моим покойным товарищем А. Г. Спиридоновым.
Рис. 7.
Элементы, обведенные на схеме (рис. 7), устанавливались на небольшой печатной плате. В литературе описано несколько подобных схем, отличия между ними минимальны, в основном, типами и номиналами деталей. В основном отличия такие:
1. Применяют времязадающие конденсаторы разной емкости, т. е. вместо 0.5 m F ставят 1 m F , и, соответственно, переменное сопротивление другой величины. Для надежности запуска тиристора в своих схемах я применял конденсатор на 1 m F .
2. Параллельно времязадающему конденсатору можно не ставить сопротивление (3 k W на рис. 7). Понятно, что при этом может потребоваться переменное сопротивление не на 15 k W , а другой величины. Влияние сопротивления, параллельного времязадающему конденсатору на устойчивость работы схемы я пока не выяснил.
3. В большинстве описанных в литературе схем применяются транзисторы типов КТ315 и КТ361. Порою они выходят из строя, поэтому в своих схемах я применял более мощные транзисторы типов КТ816 и КТ817.
4. К точке соединения базы pnp и коллектора npn транзисторов может быть подключен делитель из сопротивлений другой величины (10 k W и 12 k W на рис. 7).
5. В цепи управляющего электрода тиристора можно установить диод (см. на схемах, приведенных ниже). Этот диод устраняет влияние тиристора на схему управления.
Схема (рис. 7) приведена для примера, несколько подобных схем с описаниями можно найти в книге “Зарядные и пуско-зарядные устройства: Информационный обзор для автолюбителей / Сост. А. Г. Ходасевич, Т. И. Ходасевич -М.:НТ Пресс, 2005”. Книга состоит из трех частей, в ней собраны чуть ли не все зарядные устройства за историю человечества.
Простейшая схема выпрямителя с тиристорным регулятором напряжения приведена на рис. 8.
Рис. 8.
В этой схеме использован двухполупериодный выпрямитель со средней точкой т. к. в ней содержится меньше диодов, поэтому нужно меньше радиаторов и выше КПД. Силовой трансформатор имеет две вторичные обмотки на переменное напряжение 15 V . Схема управления тиристором здесь состоит из конденсатора С1, сопротивлений R 1- R 6, транзисторов VT 1 и VT 2, диода VD 3.
Рассмотрим работу схемы. Конденсатор С1 заряжается через переменное сопротивление R 2 и постоянное R 1. Когда напряжение на конденсаторе C 1 превысит напряжение в точке соединения сопротивлений R 4 и R 5, открывается транзистор VT 1. Коллекторный ток транзистора VT 1 открывает VT 2. В свою очередь, коллекторный ток VT 2 открывает VT 1. Таким образом, транзисторы лавинообразно открываются и происходит разряд конденсатора C 1 в управляющий электрод тиристора VS 1. Так получается запускающий импульс. Изменяя переменным сопротивлением R 2 время задержки запускающего импульса, можно регулировать выходное напряжение схемы. Чем больше это сопротивление, тем медленнее происходит заряд конденсатора C 1, больше время задержки запускающего импульса и ниже выходное напряжение на нагрузке.
Постоянное сопротивление R 1, включенное последовательно с переменным R 2 ограничивает минимальное время задержки импульса. Если его сильно уменьшить, то при минимальном положении переменного сопротивления R 2 выходное напряжение будет скачком исчезать. Поэтому R 1 подобрано таким образом чтобы схема устойчиво работала при R 2 в положении минимального сопротивления (соответствует наибольшему выходному напряжению).
В схеме использовано сопротивление R 5 мощностью 1 W только потому, что оно попалось под руку. Вероятно вполне достаточно будет установить R 5 мощностью 0.5 W .
Сопротивление R 3 установлено для устранения влияния наводок на работу схемы управления. Без него схема работает, но чувствительна, например, к прикосновению к выводам транзисторов.
Диод VD 3 устраняет влияние тиристора на схему управления. На опыте я проверил и убедился что с диодом схема работает устойчивее. Короче, не нужно скупиться, проще поставить Д226, коих запасы неисчерпаемы исделать надежно работающее устройство.
Сопротивление R 6 в цепи управляющего электрода тиристора VS 1 повышает надежность его работы. Иногда это сопротивление ставят большей величины или не ставят вовсе. Схема без него обычно работает, но тиристор может самопроизвольно открываться под действием помех и утечек в цепи управляющего электрода. Я установил R 6 величиной 51 W как рекомендовано в справочных данных тиристоров КУ202.
Сопротивление R 7 и диод VD 4 обеспечивают надежный запуск тиристора при малом времени задержки запускающего импульса (см. рис. 5 и пояснения к нему).
Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на выходе схемы.
В качестве нагрузки при опытах регулятором использовалась лампа от автомобильной фары.
Схема с отдельным выпрямителем для питания цепей управления и запуска тиристора приведена на рис. 9.
Рис. 9.
Достоинством данной схемы является меньшее число силовых диодов, требующих установки на радиаторы. Заметим, что диоды Д242 силового выпрямителя соединены катодами и могут быть установлены на общий радиатор. Анод тиристора соединенный с его корпусом подключен к “минусу” нагрузки.
Монтажная схема этого варианта управляемого выпрямителя приведена на рис. 10.
Рис. 10.
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения может быть применен LC -фильтр. Схема управляемого выпрямителя с таким фильтром приведена на рис. 11.
Рис. 11.
Я применил именно LC -фильтр по следующим соображениям:
1. Он более устойчив к перегрузкам. Я разрабатывал схему для лабораторного источника питания, поэтому перегрузки его вполне возможны. Замечу, что даже если сделать какую-либо схему защиты, то у нее будет некоторое время срабатывания. За это время источник питания не должен выходить из строя.
2. Если сделать транзисторный фильтр, то на транзисторе обязательно будет падать некоторое напряжение, поэтому КПД будет низкий, а транзистору может потребоваться радиатор.
В фильтре использован серийный дроссель Д255В.
Рассмотрим возможные модификации схемы управления тиристором. Первая из них показана на рис. 12.
Рис. 12.
Обычно времязадающую цепь тиристорного регулятора делают из включенных последовательно времязадающего конденсатора и переменного сопротивления. Иногда удобно построить схему так, чтобы один из выводов переменного сопротивления был подключен к “минусу” выпрямителя. Тогда можно включить переменное сопротивление параллельно конденсатору, как сделано на рисунке 12. Когда движок находится в нижнем по схеме положении, основная часть тока, проходящего через сопротивление 1.1 k W поступает во времязадающий конденсатор 1 m F и быстро заряжает его. При этом тиристор запускается на “макушках” пульсаций выпрямленного напряжения или немного раньше и выходное напряжение регулятора получается наибольшим. Если движок находится в верхнем по схеме положении, то времязадающий конденсатор закорочен и напряжение на нем никогда не откроет транзисторы. При этом выходное напряжение будет равно нулю. Меняя положение движка переменного сопротивления, можно изменять силу тока, заряжающего времязадающий конденсатор и, таким образом, время задержки запускающих импульсов.
Иногда требуется производить управление тиристорным регулятором не при помощи переменного сопротивления, а от какой-нибудь другой схемы (дистанционное управление, управление от вычислительной машины). Бывает, что детали тиристорного регулятора находятся под большим напряжением и непосредственное присоединение к ним опасно. В этих случаях вместо переменного сопротивления можно использовать оптрон.
Рис. 13.
Пример включения оптрона в схему тиристорного регулятора показан на рис. 13. Здесь используется транзисторный оптрон типа 4 N 35. База его фототранзистора (вывод 6) соединена через сопротивление с эмиттером (вывод 4). Это сопротивление определяет коэффициент передачи оптрона, его быстродействие и устойчивость к изменениям температуры. Автор испытал регулятор с указанным на схеме сопротивлением 100 k W , при этом зависимость выходного напряжения от температуры оказалась ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, т. е. при очень сильном нагреве оптрона (оплавилась полихлорвиниловая изоляция проводов) выходное напряжение уменьшалось. Вероятно, это связано с уменьшением отдачи светодиода при нагреве. Автор благодарит С. Балашова за советы по использованию транзисторных оптронов.
Рис. 14.
При регулировке схемы управления тиристором иногда бывает полезна подстройка порога срабатывания транзисторов. Пример такой подстройки показан на рис. 14.
Рассмотрим также пример схемы с тиристорным регулятором на большее напряжение (см. рис. 15). Схема питается от вторичной обмотки силового трансформатора ТСА-270-1, дающей переменное напряжение 32 V . Номиналы деталей, указанные на схеме, подобраны под это напряжение.
Рис. 15.
Схема на рис. 15 позволяет плавно регулировать выходное напряжение от 5 V до 40 V , что достаточно для большинства устройств на полупроводниковых приборах, таким образом, эту схему можно взять за основу при изготовлении лабораторного источника питания.
Недостатком этой схемы является необходимость рассеивать достаточно большую мощность на пусковом сопротивлении R 7. Понятно, что чем меньше ток удержания тиристора, тем больше может быть величина и меньше мощность пускового сопротивления R 7. Поэтому здесь предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания.
Кроме обычных тиристоров в схеме тиристорного регулятора может быть использован оптотиристор. На рис. 16. приведена схема с оптотиристором ТО125-10.
Рис. 16.
Здесь оптотиристор просто включен вместо обычного, но т.к. его фототиристор и светодиод изолированы друг от друга, схемы его применения в тиристорных регуляторах могут быть и другими. Заметим, что благодаря малому току удержания тиристоров ТО125 пусковое сопротивление R 7 требуется менее мощное, чем в схеме на рис. 15. Поскольку автор опасался повредить светодиод оптотиристора большими импульсными токами, в схему было включено сопротивление R6. Как оказалось, схема работает и без этого сопротивления, причем без него схема лучше работает при низких напряжениях на выходе.
Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором
При разработке высоковольтных источников питания с тиристорным регулятором за основу была взята схема управления оптотиристором, разработанная В. П. Буренковым (ПРЗ) для сварочных аппаратов.Для этой схемы разработаны и выпускаются печатные платы. Автор выражает благодарность В. П. Буренкову за образец такой платы. Схема одного из макетов регулируемого выпрямителя с использованием платы конструкции Буренкова приведена на рис. 17.
Рис. 17.
Детали, установленные на печатной плате обведены на схеме пунктиром. Как видно из рис. 16, на плате установлены гасящие сопротивления R 1 и R 2, выпрямительный мост VD 1 и стабилитроны VD 2 и VD 3. Эти детали предназначены для питания от сети 220 V . Чтобы испытать схему тиристорного регулятора без переделок в печатной плате, использован силовой трансформатор ТБС3-0,25У3, вторичная обмотка которого подключена таким образом, что с нее снимается переменное напряжение 200 V , т. е. близкое к нормальному питающему напряжению платы. Схема управления работает аналогично описанным выше, т. е. конденсатор С1 заряжается через подстроечное сопротивление R 5 и переменное сопротивление (установлено вне платы) до того момента, пока напряжение на нем не превысит напряжение на базе транзистора VT 2, после чего транзисторы VT 1 и VT2 открываются и происходит разряд конденсатора С1 через открывшиеся транзисторы и светодиод оптронного тиристора.
Достоинством данной схемы является возможность подстройки напряжения, при котором открываются транзисторы (при помощи R 4), а также минимального сопротивления во времязадающей цепи (при помощи R 5). Как показывает практика, иметь возможность такой подстройки весьма полезно, особенно если схема собирается в любительских условиях из случайных деталей. При помощи подстроечных сопротивлений R4 и R5 можно добиться регулировки напряжения в широких пределах и устойчивой работы регулятора.
С этой схемы я начинал свои ОКР по разработке тиристорного регулятора. В ней же и был обнаружен пропуск запускающих импульсов при работе тиристора на емкостную нагрузку (см. рис. 4). Желание повысить стабильность работы регулятора привело к появлению схемы рис. 18. В ней автор опробовал работу тиристора с пусковым сопротивлением (см. рис 5.
Рис. 18.
В схеме рис. 18. использована та же плата, что и в схеме рис. 17, только с нее удален диодный мост, т.к. здесь используется один общий для нагрузки и схемы управления выпрямитель. Заметим, что в схеме на рис. 17 пусковое сопротивление подобрано из нескольких параллельно включенных чтобы определить максимально возможное значение этого сопротивления, при котором схема начинает устойчиво работать. Между катодом оптотиристора и конденсатором фильтра включено проволочное сопротивление 10 W . Оно нужно для ограничения бросков тока через опторитистор. Пока это сопротивление не было установлено, после поворота ручки переменного сопротивления оптотиристор пропускал в нагрузку одну или несколько целых полуволн выпрямленного напряжения.
На основании проведенных опытов была разработана схема выпрямителя с тиристорным регулятором, пригодная для практического использования. Она приведена на рис. 19.
Рис. 19.
Рис. 20.
Печатная плата SCR 1 M 0 (рис. 20) разработана для установки на нее современных малогабаритных электролитических конденсаторов и проволочных сопротивлений в керамическом корпусе типа SQP . Автор выражает благодарность Р. Пеплову за помощь с изготовлением и испытанием этой печатной платы.
Поскольку автор разрабатывал выпрямитель с наибольшим выходным напряжением 500 V , потребовалось иметь некоторый запас по выходному напряжению на случай снижения напряжения сети. Увеличить выходное напряжение оказалось возможным если пересоединить обмотки силового трансформатора, как показано на рис. 21.
Рис. 21.
Замечу также, что схема рис. 19 и плата рис. 20 разработаны с учетом возможности их дальнейшего развития. Для этого на плате SCR 1 M 0 имеются дополнительные выводы от общего провода GND 1 и GND 2, от выпрямителя DC 1
Разработка и налаживание выпрямителя с тиристорным регулятором SCR 1 M 0 проводились совместно со студентом Р. Пеловым в ПГУ. C его помощью были сделаны фотографии модуля SCR 1 M 0 и осциллограмм.
Рис. 22. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны деталей
Рис. 23. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны пайки
Рис. 24. Вид модуля SCR 1 M 0 сбоку
Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении
|
№ п/п |
Минимальное положение регулятора напряжения |
По схеме |
Примечания |
|
На катоде VD5 |
5 В/дел 2 мс/дел |
||
|
|
На конденсаторе C1 |
2 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
т.соединения R2 и R3 |
2 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На аноде тиристора |
100 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На катоде тиристора |
50 В/дел 2 мс/де |
Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении
|
№ п/п |
Среднее положение регулятора напряжения |
По схеме |
Примечания |
|
|
На катоде VD5 |
5 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На конденсаторе C1 |
2 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
т.соединения R2 и R3 |
2 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На аноде тиристора |
100 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На катоде тиристора |
100 В/дел 2 мс/дел |
Таблица 3. Осциллограммы при максимальном напряжении
|
№ п/п |
Максимальное положение регулятора напряжения |
По схеме |
Примечания |
|
|
На катоде VD5 |
5 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На конденсаторе C1 |
1 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
т.соединения R2 и R3 |
2 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На аноде тиристора |
100 В/дел 2 мс/дел |
|
|
|
На катоде тиристора |
100 В/дел 2 мс/дел |
Чтобы избавиться от этого недостатка схема регулятора была изменена. Было установлено два тиристора – каждый на свой полупериод. С этими изменениями схема испытывалась несколько часов и “выбросов” замечено не было.
Рис. 25. Схема SCR 1 M 0 с доработками
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.
Как это работает?
Как говорилось ранее, выпрямитель работает за счет изменения частоты. Первоначально напряжение попадает на тиристоры силовые. Процесс преобразования тока осуществляется при помощи триода. Чтобы избежать перегрева устройства, имеется стабилизатор. При появлении волновых помех в работу включается компаратор.
Область применения устройств
Наиболее часто устройства устанавливаются в трансформаторы. Также есть модификации для приводных модулей. Еще не стоит забывать про автоматизированные устройства, которые используются на производстве. В модуляторах выпрямители играют роль Однако в данном случае многое зависит от типа устройства.
Существующие типы модификаций
По конструкции выделяют полупроводниковые, тиристорные и мостовые модификации. В отдельную категорию относят силовые устройства, которые могут работать при повышенной частотности. Двухполупериодные модели для этих целей не подходят. Дополнительно выпрямители отличают по фазе. На сегодняшний день можно встретить одно-, двух- и трехфазные устройства.
Полупроводниковые модели
Полупроводниковые выпрямители замечательно подходят для 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. 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.
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
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.
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.
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.
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 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.
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.
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 %.
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 %.
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.
При эксплуатации выпрямителей бывает необходимо плавно изменять (регулировать) значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществлять как на стороне постоянного, так и на стороне переменного тока на рис. 13.10, б). Так, во время первого полупериода (/ 0 - Ь) положительное напряжение сети на аноде первого тиристора во время второго полупериода - на аноде второго тиристора УЯ 2 . Отпирающие импульсы напряжения и у[ и и у2 подаются от системы управления с некоторой задержкой на угол а т относительно начал положительных напряжений и 2 и и" 2 .
Рис. 13.10. Однофазный однополупе-риодный выпрямитель на тиристорах: а- схема электрическая; 6- эпюры напряжений и токов
В момент /і открывается тиристор напряжение?/ 0 на нагрузке Я н скачком возрастает, а затем изменяется по кривой фазного напряжения и 2 . В момент / 2 напряжение и 2 спадает до нуля, и тиристор КУі закрывается. В момент / 3 открывается тиристор К? 2 и остается открытым до момента ґ 4 , когда напряжение на его аноде уменьшится до нуля. В интервале времени / 2 - ґ 3 оба тиристора закрыты и напряжение на нагрузке равно нулю. И так процесс повторяется. Системой управления можно изменять угол управления, время начала работы каждого тиристора, а следовательно, и среднее выпрямленное напряжение и 0 и ток / 0 . При работе на активную нагрузку кривая выпрямленного тока повторяет форму кривой выпрямленного напряжения?/о-
В выпрямителях на тиристорах можно плавно регулировать выпрямленное напряжение в широких пределах.
Однофазная мостовая схема выпрямителя на тиристорах приведена на рис. 13.11. Здесь управляющее напряжение подается на тиристор от средней точки / вторичной обмотки трансформа
тора 7У у. На второй тиристор ^управляющее напряжение подается с фазосдвигающей цепочки Я 2 С (точки 2). Изменение угла открытия а т осуществляется переменным резистором Я 3 . Диоды VI )з и ИО4 замыкают цепи управления тиристоров.
Процессы в схеме происходят следующим образом. В положительный полупериод управляющего напряжения и у ток управления проходит по цепи: точка /, резистор Я, тиристор УЯ, диод У0 4 , резистор /? 3 , точка 3. Тиристор открывается, и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через К$і, нагрузку Я н, диод У И
В отрицательный полупериод управляющего напряжения ток управления проходит по цепи: точка 3, резистор Я 3 , резистор Я 2 , тиристор К$2, диод УО з, точка /. Открывается тиристор У3 2 , и выпрямленный ток протекает от вторичной обмотки силового трансформатора ТУ через УЯ 2 , нагрузку Я и, диод К/) 2 . Обмотки трансформаторов ТУ и 7У у обычно совмещаются на одном сердечнике.
Угол открытия а т изменяется в пределах от 20 до 160°. Такой разброс в пределах регулирования является следствием того, что при синусоидальном напряжении тиристоры имеют большой разброс по времени открывания. Уменьшение разброса регулирования можно осуществить, подавая на управляющий электрод импульсы с крутым передним фронтом. Для этого применяют транзисторные генераторы импульсов.
Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя приведена на рис. 13.12. Регулировка выходного напряжения в трехфазных схемах осуществляется так же, как и в однофазных. Тиристоры открываются управляющими импульсами, а запираются при поступлении на их аноды отрицательного напряжения.
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.
что соответствует уменьшению времени t u 1 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=t 1 (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=t 2 (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 р С 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 U 1 >>U 2 имеем I 1 <
Рис. 12.9. Схема двухполупериодного тиристорного управления выпрямителем