Михеев Исполнителные устройства автоматических 2008

Рис. 4.38

Обозначения на рис. 4.38: 1 – однотактный ТБ, активноиндуктивная нагрузка; 2 – однотактный ТБ, чисто активная нагрузка; 3 – однотактный ТБ, активно-индуктивная нагрузка, зашунтированная обратным диодом; 4 – двухтактный ТБ, активноиндуктивная нагрузка; 5 – двухтактный ТБ, чисто активная нагрузка; 6 – двухтактный ТБ, активно-индуктивная нагрузка, зашунтированная обратным диодом; 7 – однотактный или двухтактный ТБ при любой нагрузке, зашунтированной большой емкостью (ωСRн → ∞).

4.3.4. Реверсивные тиристорные блоки постоянного тока

При построении реверсивных схем могут быть использованы дифференциальные схемы. В схеме на рис. 4.39, а управляющий импульс в момент α , определяемый величиной Uу, должен быть подан на Т1, а в момент (π+α ) – на ТЗ. Тогда в оба полупериода питающего напряжения в нагрузке будут существовать импульсы тока, направление которого показано сплошной стрелкой. При смене полярности напряжения на входе БУ в момент α должен быть открыт Т4, а в момент (π+α ) – Т2, импульсы тока в нагрузке будут иметь направление, показанное пунктирной стрелкой.

161

Аналогично работает схема на рис. 4.39, б. При +Uу в момент α откроется симмистор С1, а в момент (π+α ) – С2, направление тока показано сплошной стрелкой. При смене полярности Uу поменяется очередность включения симмисторов: в момент α – С2, а в момент (π+α ) – C1.

Рис. 4.39

Схема с уменьшенным количеством тиристоров (рис. 4.39, в) по существу может быть отнесена к схемам с раздельным управлением и выпрямлением. Тиристор Т1 открывается при одной полярности Uу в моменты α , (π+α ) и т. д. При этом Т2 не открывается совсем. При смене полярности Uу Т1 не работает, а Т2 открывается в те же моменты времени, и ток в нагрузке изменяет свое направление.

Из сказанного следует, что реверсивность схемы достигается небольшим усложнением тиристорного блока и бока управления,

162

который должен вырабатывать разные последовательности управляющих импульсов при изменении знака управляющего напряжения на его входе. Временные диаграммы работы и статические характеристики ТБ будут такими же.

4.4. Схемы управления тиристорными блоками

Свойства и характеристики любого тиристорного усилителя мощности определяются свойствами и характеристиками его обеих частей – ТБ и БУ (см. рис. 4.7). Рассмотрим принципы построения схем БУ и основные требования, предъявляемые к ним. Эти требования различны для БУ тиристорных усилителей и тиристорных ключей (ТК), поэтому мы будем рассматривать отдельно БУ ТУ и БУ ТК.

Взависимости от вида сигнала, поступающего на ТБ, они могут быть двух типов: БУ с постоянно действующим напряжением на выходе и БУ с импульсным выходом. БУ первого типа более просты, но постоянно действующее напряжение, поступающее на управляющий переход тиристоров (симмисторов), входящих в ТБ, ухудшает их тепловой режим и несколько снижает мощностные характеристики таких ТБ. Схемы БУ второго типа более сложны, а формируемые ими управляющие импульсы должны удовлетворять ряду требований.

1. Длительность импульса должна быть достаточной для того, чтобы полностью сформировался и развился лавинообразный процесс отпирания тиристора. Этот параметр определяется типом и индивидуальными особенностями используемых приборов. Обычно длительность составляет единицы или десятые доли миллисекунды.

Внекоторых случаях (например, при работе на нагрузку, содержащую противоЭДС или при шунтировании нагрузки емкостью) длительность импульса управления определяется не типом прибора, а видом нагрузки. В этих случаях БУ должен обеспечить подачу "длинного" управляющего импульса длительностью до полупериода питающего напряжения, так как применение более коротких импульсов не всегда может обеспечить отпирание

163

тиристоров в нужный момент, что может нарушить режим работы схемы ТБ.

2.Передний фронт импульса должен быть достаточно крутым для более точной фиксации момента отпирания и, как следствие этого, большей стабильности и однозначности регулировочной характеристики. С другой стороны, наличие межэлектродной емкости управляющего перехода ограничивает крутизну переднего фронта импульса в связи с тем, что при очень крутых фронтах может произойти разрушение перехода за счет высокого значения зарядного тока этой емкости в первый момент подачи импульса управления. Длительность переднего фронта, как правило, оговаривается в паспортных данных прибора.

3.Амплитуда управляющего импульса должна быть достаточной для отпирания тиристора. Как следует из анализа семейства вольтамперных характеристик приборов (п. 4.1), амплитуда управляющего импульса зависит от напряжения, приложенного к главным электродам. При питании от источников синусоидального напряжения, в моменты, близкие к точкам перехода напряжения питания через нуль, амплитуда управляющих импульсов необходимая для отпирания тиристора максимальна и должна выбираться из этих условий.

4.Из рассмотренных ранее временных диаграмм работы различных ТБ вытекает, что импульсы управления должны быть синхронизированы с напряжением питания переменного тока.

4.4.1. Блоки управления тиристорными ключами

Отличительными особенностями БУ ТК являются: отсутствие необходимости регулирования момента прихода управляющего импульса (выполнение условия α = сonst) и получение максимально возможной мощности на нагрузке при замкнутом положении ТК, что может быть обеспечено, если каждый прибор, входящий в ТБ, будет открываться как можно ближе к началу своего рабочего полупериода питающего напряжения, т.е. при α возможно более близких к nπ.

164

Использование дополнительного источника постоянного напряжения. В цепь управляющего электрода прибора вводится источник постоянного напряжения (рис. 4.40), величина которого выбирается таким образом, чтобы симмистор отпирался при α, близких к нулю. При замыкании ключа К симмистор открывается и остается открытым пока замкнут ключ К. При размыкании ключа К симмистор закроется, при уменьшении тока через него до тока удержания. Итак, можно утверждать, что тиристорный ключ работает в режиме повторителя по отношению к ключу К.

Рис. 4. 40

В качестве ключа К может быть использован контакт электромагнитного реле, полупроводниковый триод, маломощный тиристор и т.д., в общем, любой ключевой элемент, способный коммутировать мощности, значительно меньшие, чем ТК. Сопротивление Ry, включенное в управляющую цепь, служит для ограничения тока через управляющий переход. Недостатком схемы при ее простоте и компактности является постоянное потребление энергии от дополнительного источника, что ухудшает тепловой режим работы прибора.

Использование источника питания силовой цепи (рис. 4.41).

Основным достоинством этой схемы является простота, но имеется и ряд недостатков: невозможность обеспечения α, близкого к нулю (при α = 0 питающее, а следовательно, и управляющее напряжение равно нулю); очень пологий передний фронт управляющего импульса (напряжение управления синусоидально); большие токи, протекающие через управляющий переход, причем увеличение

165

токоограничивающего сопротивления R еще более увеличивает α. Обычно отпирание приборов при использовании таких схем БУ происходит при α порядка 10 - 15°.

Рис. 4.41

Использование источника напряжения повышенной частоты.

Задачу улучшения переднего фронта импульса можно решить, используя генератор повышенной (по отношению к питающей) частоты (рис. 4.42). Такая схема позволяет получить любой требуемый передний фронт. Повышение частоты генератора ограничено временем отпирания тиристора, т.е. необходимой длительностью управляющего импульса. Принцип использования генератора повышенной, по сравнению с питающей, частоты может использоваться в двух модификациях: а) генератор работает непрерывно и подключается к управляющей цепи при замыкании ключа К; б) генератор начинает работу при приходе управляющего напряжения. Во втором случае нет необходимости в использовании ключевой схемы К, но на время срабатывания тиристорного ключа будут оказывать влияние переходные процессы при включении генератора.

Рис. 4.42

166

Существуют и другие принципы построения БУ ТК (использование релаксационных генераторов, спусковых и импульсных схем на полупроводниках, схем с самоблокировкой, с питанием от трехфазной сети и т.д.), которые в настоящем пособии не рассматриваются.

4.4.2.Блоки управления тиристорных усилителей

ВБУ ТУ обычно используются импульсные схемы. Основной

отличительной чертой БУ ТУ является необходимость	плавной
регулировки момента появления управляющего импульса	α	в

диапазоне от 0 до π и стабильность зависимости α = f(Uy). Эта зависимость может быть линейной вида α = kUy или нелинейной, такой, чтобы линейной была характеристика ТУ в целом –

зависимость Uнср = f(Uy).

Рассмотрим регулировочные характеристики ТУ Uнср = f(Uy) для двухтактной схемы с активной нагрузкой при различных законах α = f(Uy).

1. Пусть блок управления вырабатывает управляющие импульсы по закону α = kUу. Тогда регулировочная характеристика ТУ в целом будет такой:

U	нср	=	Um	(1 + cosα) =	U m	(1 + cos kU	y	) .
			π
					π

Для реверсивного ТУ она показана на рис. 4.43.

Рис. 4.43

167

2.При α = π – kUy регулировочная характеристика ТУ будет иметь вид, показанный на рис. 4.44, а. Из рисунка видно, что такая характеристика является более приемлемой для использования в САУ.

3.Для получения линейной характеристики необходимо иметь

α= arcos(kUy – 1). Тогда характеристика ТУ будет иметь вид, показанный на рис. 4.44, б:

Uн.ср =	U m	U	у	.
	π

а)			б)
	Рис. 4.44
Использование	источника	питания	силовой	цепи.

Формирование импульсов управления за счет напряжения питания схемы показано на рис. 4.45. Изменяя величину сопротивления Rу, можно регулировать амплитуду управляющего импульса, а следовательно, и момент отпирания тиристора. В качестве Rу

используется	сопротивление		полупроводникового	триода,
величина которого		зависит от управляющего сигнала. Такая
схема обеспечивает		регулирование α в диапазоне от 0 до π/2.
			168

Рис. 4.45

Использование фазовращательных схем. Принцип действия фазовращателя (рис. 4.46, а) поясняется векторной диаграммой (рис. 4.46, б). В отличие от предыдущего случая амплитуда выходного напряжения фазовращателя (напряжения, подаваемого на управляющий электрод тиристора) остается постоянной, а изменяется его фаза по отношению к питающему напряжению в зависимости от соотношения между активным R и реактивным сопротивлениями X. Если управляющее напряжение изменяет одно из этих сопротивлений, то за счет изменения их соотношения изменяется и момент отпирания тиристора.

а)	б)
	Рис. 4.46

В качестве сопротивлений, регулируемых при изменении Uy, могут быть использованы; активное сопротивление полупроводникового триода – R; индуктивное сопротивление обмоток переменного тока магнитного усилителя Х = XL; емкостное

169

сопротивление р-n перехода в транзисторе (варикап) или емкостное сопротивление специального конденсатора (вариконд) X = XC.

Схема ТУ с фазовращателем приведена на рис. 4.47.

Рис. 4.47

Электронные схемы формирования управляющих импульсов позволяют реализовать законы управления практически любой сложности. Реализация конкретной схемы зависит от требуемых функций и фантазии разработчика. Для примера рассмотрим одну из них, блок-схема которой представлена на рис. 4.48, а временные диаграммы работы на рис. 4.49.

Блок управления предназначен для работы с двухтактным реверсивным тиристорным блоком. Он вырабатывает управляющие импульсы в соответствии с зависимостью α = arccos(kUу – 1), так

Рис. 4.48

170