электроника / Принципы управления тиристорами

8

Принципы управления тиристорами

Тема: МАСТЕРАМ Дата: 27.6.05

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

• потенциал анода должен превышать потенциал катода;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2,28. Горизонтальный принцип управления

Рис. 2.29. Вертикальный принцип управления

Рис. 2.30. Интегрирующий принцип управления

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

1. Принцип регулирования выпрямленного напряжения в управляемых выпрямителях.

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

Условия открытия тиристора :

А (+), К (-);

УЭ (+), К (-).

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

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

^ Рисунок 1. Принцип горизонтального регулирования.

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

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

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

^ 2. Методы управления тиристорами (Самостоятельная работа):

Горизонтальный метод управления;

Вертикальный метод управления;

Существует два способа изменения угла регулирования:

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

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

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

Рисунок 2. Принцип вертикального регулирования.

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

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

^ Принцип работы схемы однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом.

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

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

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

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

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

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

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

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

^ Рисунок 5. Временные диаграммы выпрямленного напряжения

Регулеровачная характеристика управляемого выпрямителя.

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

В последующем процессы в схеме следуют аналогично рассмотренным.

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

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

Контрольные вопросы.

Какой метод управления тиристорами является наиболее эффективным?

Какие условия необходимы, чтобы тиристор был открыт?

При каком условии закрывается тиристор?

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

В каком случае работа управляющего выпрямителя аналогична работе неуправляемого выпрямителя?

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

Что показывает регулировочная характеристика управляемого выпрямителя?