Управляемые выпрямители
Для большинства потребителей выпрямители должны обеспечивать возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения в широких пределах. Это достигается применением управляемых выпрямителей.
Однофазный управляемый выпрямитель. Управляемым называют выпрямитель, содержащий управляемые диоды и позволяющий регулировать уровень выпрямленного напряжения. Рассмотрим принцип работы однофазного управляемого выпрямителя на п римере схемы с нулевым выводом (рис. 8.7, а) при активной нагрузке. Вентильными элементами в этой схеме являются тиристоры.
В схеме на неуправляемых вентилях (см. рис. 8.2, а) напряжение на нагрузке (см. рис. 8.2, б) соответствует положительным полуволнам синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр, а диоды начинают проводить ток в момент перехода напряжения через нуль (t = 0, , 2 …). В схеме же на управляемых тиристорах
Угол , отсчитываемый от точки естественного отпирания вентилей и выраженный в градусах, называют углом управления. Поскольку управляющие импульсы подаются синхронно с частотой выпрямленного напряжения, то угол управления для обоих тиристоров остается постоянным.
В интервалы времени 0 — t1 и я — t2 мгновенное значение напряжения на нагрузке равно нулю (см. рис. 8.7, б — штриховые линии), так как оба тиристора заперты, а в моменты времени t1 и t2 оно возрастает скачком, изменяясь затем по синусоидальному закону, до момента перехода напряжения через нуль. Изменение угла управления позволяет регулировать выпрямленное напряжение
Среднее значение выпрямленного напряжения для произвольного значения угла управления
( 8.12)
Для неуправляемого режима ( = 0)
Udo = 2E2m /, (8.13)
следовательно, при a ≠ 0
Udo = Udo(l+cos)/2. (8.14)
В ыражение (8.14) представляет собой уравнение регулировочной характеристики выпрямителя (рис. 8.8, а). При
Внешняя характеристика управляемого выпрямителя с учетом потерь имеет такой же вид, как и для неуправляемого выпрямителя (см. § 8.2). На рис. 8.8, б показана характеристика при различных значениях угла управления . Так как с увеличением угла управления среднее значение выпрямленного напряжения уменьшается, то характеристики сдвигаются вниз относительно оси ординат.
Трехфазный управляемый выпрями-ель.
Момент времени включения тиристоров и длительность их работы определяются углом управления , отсчет которого производят от угла естественного включения /3, сдвинутого влево от максимума синусоидального напряжения фаз вторичных обмоток трансформатора.
При работе на активную нагрузку с изменением угла управления можно выделить два характерных режима работы выпрямителя: непрерывных токов и прерывистых токов. Первый имеет место, если угол управления находится в пределах 0 ≤ ≤ /6, второй — при /6 ≤ ≤ 5/6.
Временные диаграммы напряжения и тока трехфазного управляемого выпрямителя в режиме непрерывных токов показаны на рис. 8.9, б. В этом режиме ток нагрузки i,t непрерывный, а среднее значение выпрямленного напряжения определяется выражением (за начало отсчета времени принимаем точку 0′).
В ременные диаграммы напряжения и тока рассматриваемого выпрямителя в режиме прерывистых токов показаны на рис. 8.9, в. В этом режиме ток нагрузки id прерывистый, а выпрямитель потребляет от сети реактивную мощность. Среднее значение выпрямленного напряжения
(8.16)
При = 5/6 выпрямленное напряжение равно нулю. Используя выражения (8.15) и (8.16), можно построить регулировочные характеристики трехфазного выпрямителя.
С истемы управления выпрямителями. Сущность управления выпрямленным напряжением заключается, как отмечалось, в задержке момента включения тиристора по отношению к моменту его естественного отпирания. Включение тиристоров со сдвигом фазы (угол управления) производится импульсными сигналами, которыми обычно являются импульсы прямоугольной формы малой длительности, либо кратковременными импульсами с крутым передним фронтом. Система управления предназначена для формирования управляющих импульсов подобной формы и подачи их на управляющие электроды с требуемым фазовым сдвигом.
Существуют разнообразные системы управления. Все они, однако, состоят из трех основных элементов, как показано на структурной схеме системы управления (рис. 8.10).
В ходное устройство создает многофазное напряжение, синхронизированное с напряжением питающей сети. Фазосдвигающее устройство обеспечивает требуемый сдвиг фазы управляющих импульсов и тем самым определяет угол регулирования. Обычно вместо одного фазосдвигающего устройства выполняют индивидуальные фазосдвигающие устройства для каждой цепи управления. Выходное устройство формирует и усиливает импульс управления.
Различают фазосдвигающие устройства горизонтального и вертикального управления. При горизонтальном управлении формирование управляющего импульса осуществляется при переходе питающего напряжения через нуль, а его фазовый сдвиг обеспечивается изменением фазы питающего напряжения.
Более высокое быстродействие имеют фазовращающие устройства вертикального управления, используемые в управляемых выпрямителях на тиристорах и в различных устройствах автоматического управления. Принцип вертикального управления поясняет рис. 8.11.
При вертикальном управлении осуществляется сравнение двух включенных последовательно напряжений: регулируемого по уровню u, и переменного напряжения и, синхронизированного с напряжением сети (см. рис. 8.11, а, б, в). Обычно применяется пилообразная форма напряжения и (линейно изменяющаяся во времени), но иногда используют синусоидальное или экспоненциальное напряжение.
принцип работы, схемы выпрямления при работе на активную и активно-индуктивную нагрузки.
В ряде случаев от ВУ требуется не только преобразовать переменный ток в постоянный, но и обеспечить возможность регулирования (управления) постоянной составляющей выпрямленного напряжения. ВУ, выполняющие указанные функции, называют управляемыми выпрямителями.
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) изменяет уровень напряжения на нагрузке. Кроме того, тиристор нашел широкое применение в защитных устройствах.
В состав выпрямителя входят тиристоры. Включение тиристора, происходит при выполнении двух условий: а) напряжение между анодом и катодом тиристора должно быть положительным; б) на управляющий электрод тиристора должен поступить управляющий импульс. Тиристор выключается при уменьшении тока через него до нуля.
Выпрямители обеспечивают при параллельном включении работу на одну нагрузку, при условии, что каждый выпрямитель получает питание от индивидуального трансформатора или от двух вторичных обмоток одного трёхобмоточного трансформатора. Обслуживание выпрямителей двухстороннее.
Основные пар-ры:
— допустимый прямой ток (среднее значение) и допустимое обратное напряжение (амплитудное значение).
— максимально допустимое прямое напряжение (напряжение, при котором тиристор будет переходить в проводящее состояние при отсутствии импульса управления).
— прямое падение напряжения на открытом тиристоре.
— ток удержания.
— время отпирания (включения).
— время восстановления управляемости (запирания).
— тепловое сопротивление.
12.Однофазный мостовой управляемый выпряимтель с активной и активно-индуктивной нагрузкой.принцип работы,временные диаграммы,среднее значение выпрямленного напряжения.Элементы схем управления тиристорных выпрямителей.
При полном числе тиристоров схема управления формирует импульсы, обеспечивающие на интервале каждого полупериода изменения ЭДС е2 отпирание соответствующих диагональных тиристоров. Так, на полупериоде, когда е2 направлена снизу вверх, как показано на рис. 3.11,а, схема управления обеспечивает отпирание тиристоров VS2, VS3 (рис. 3.11,в).
В случае же разрывных токов дросселя выключение ранее открытой пары тиристоров будет происходить в общем случае раньше, чем схема управления обеспечит открытие другой диагональной пары тиристоров. Кривые напряжения u01 и тока iо для такого режима работы выпрямителя приведены на рис. 3.11,в. Как следует из кривой io(w1t), на интервале первого полупериода изменения ЭДС е2 ток i0 спадает до 0 в момент, соответствующий углу , тогда как тиристоры VS2 и VS3 открываются в момент w1t = а.
Рассмотрим работу идеального выпрямителя в установившемся режиме в предположении, что индуктивность обмотки дросселя L —»∞. В момент, соответствующий w1t = а, включается тиристор VS1 и напряжение u01, начиная с Этого момента, до момента, соответствующему w1t =π, совпадает с ЭДС е2. На этом интервале ток iо замыкается по цепи: вывод а вторичной обмотки трансформатора Т — тиристор VS1 — CRH — дроссель L •— диод VD2 — вывод b вторичной обмотки — вторичная обмотка трансформатора Т — вывод а. При смене полярности ЭДС е2 ранее открытый диод VD2 окажется под обратным напряжением, равным этой ЭДС. Энергия же запасенная дросселем L будет передавать в нагрузку через диод VD1 и ранее открытый тиристор VS1, так что на интервале π ≤w1t ≤π+а выходное напряжение uqi идеального выпрямителя и тОк вторичной(а следовательно, и первичной) обмотки трансформатора Т равны О (рис. 3.11,г). После открытия тиристора VS2 в момент w1t =π+а напряжение uo1 снова совпадает с ЭДС е2.
Каждый из тиристоров и диодов в схеме рис. 3.11,б» работает, как и в случае неуправляемого выпрямителя, в течение половины периода, следовательно, выражения для действующего и среднего значений токов для этих приборов, полученные ранее в разд. 3.2, остаются справедливыми.
Поскольку длительность работы вторичной и первичной обмоток трансформатора в управляемом выпрямителе (рис. 3.11б) на интервале полупериода в ( — а)/π раз меньше по сравнению с неуправляемым выпрямителем, то и действующие значения этих токов в \/(( — а)/π раз оказываются меньше. Если всю эту хрень расчитать,то Расчет показывает, что при а = 60 эл. град коэффициент мощности управляемого выпрямителя рис. 3.11,б»оказывается равным 0,826, тогда как для выпрямителя рис. 3.11,а он оказывается равным 0,45.
Кремниевый выпрямитель – специальные устройства
СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
КРЕМНИЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ, обычно называемый тиристором, относится к семейству полупроводников, включающему транзисторы и диоды. Чертеж SCR и его схематическое изображение показаны на видах A и B рисунка ниже. Показанный корпус используется не во всех SCR, но это характерно для большинства мощных блоков.
Хотя это не то же самое, что диод или транзистор, SCR сочетает в себе черты обоих. Схемы, использующие транзисторы или выпрямительные диоды, в некоторых случаях могут быть значительно улучшены за счет использования SCR.
Основная цель SCR — функционировать как переключатель, который может включать или выключать малые или большие количества энергии. Он выполняет эту функцию без движущихся частей, которые изнашиваются, и без узлов, требующих замены. В SCR может быть огромный прирост мощности; в некоторых блоках очень малый ток срабатывания способен коммутировать несколько сотен ампер, не превышая при этом своих номинальных возможностей. SCR часто может заменить гораздо более медленные и большие механические переключатели.
SCR — чрезвычайно быстрый переключатель. Трудно включить механический переключатель несколько сотен раз в минуту; тем не менее, некоторые SCR могут переключаться 25 000 раз в секунду. Для включения или выключения этих устройств требуется всего микросекунды (миллионные доли секунды). Изменение времени, в течение которого переключатель включен, по сравнению со временем, когда он выключен, регулирует количество энергии, протекающей через переключатель. Поскольку большинство устройств могут работать на импульсах мощности (переменный ток — это особая форма переменного положительного и отрицательного импульса), SCR можно легко использовать в приложениях управления. Контроллеры скорости двигателя, инверторы, устройства удаленного переключения, управляемые выпрямители, устройства защиты от перегрузки, фиксирующие реле и схемы компьютерной логики используют SCR.
SCR состоит из четырех слоев полупроводникового материала, расположенных PNPN. Конструкция показана на виде А на рисунке ниже. По функциям тиристор имеет много общего с диодом, но теорию работы тиристора лучше всего объяснить с точки зрения транзисторов.
Рассмотрим SCR как пару транзисторов, один PNP и другой NPN, соединенные, как показано на рисунках B и C. Анод прикреплен к верхнему P-слою; катод С является частью нижнего N-слоя; а клемма затвора G переходит на P-слой NPN-транзистора.
Во время работы коллектор Q2 приводит в действие базу Q1, а коллектор Q1 подает обратную связь на базу Q2. β 1 (бета) — текущий коэффициент усиления Q1, а β 2 — текущий коэффициент усиления Q2. Усиление этой петли положительной обратной связи равно их произведению β 1 , умноженному на β 2 . Когда произведение меньше единицы, схема устойчива; если произведение больше единицы, схема является регенеративной. Небольшой отрицательный ток, подаваемый на клемму G, сместит NPN-транзистор в положение отсечки, и коэффициент усиления контура будет меньше единицы.
В этих условиях единственный ток, который может существовать между выходными клеммами A и C, — это очень малый ток отсечки коллектора двух транзисторов. По этой причине импеданс между A и C очень высок.
Когда положительный ток подается на клемму G, транзистор Q2 смещается в проводящее состояние, вызывая увеличение тока его коллектора. Поскольку коэффициент усиления по току транзистора Q2 увеличивается с увеличением тока коллектора, достигается точка (называемая точкой пробоя), в которой коэффициент усиления контура равен единице, и схема становится регенеративной. В этот момент ток коллектора двух транзисторов быстро увеличивается до значения, ограниченного только внешней цепью. Оба транзистора находятся в состоянии насыщения, а полное сопротивление между A и C очень низкое. Положительный ток, подаваемый на клемму G, который служил для запуска саморегенеративного действия, больше не требуется, поскольку коллектор PNP-транзистора Q1 теперь обеспечивает более чем достаточный ток для управления Q2. Цепь будет оставаться включенной до тех пор, пока она не будет отключена за счет уменьшения тока коллектора до значения ниже m, необходимого для поддержания проводимости.
Характеристическая кривая SCR показана на рисунке ниже. При отсутствии тока затвора ток утечки остается очень малым, поскольку прямое напряжение от катода к аноду увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка пробоя. Здесь центральный переход выходит из строя, тиристоры начинают сильно проводить, и падение напряжения на тиристорах становится очень низким.
Влияние стробирующего сигнала на срабатывание SCR показано на рисунке ниже. Пробой центрального перехода может быть достигнут на скоростях, приближающихся к микросекундам, путем подачи соответствующего сигнала на вывод затвора при поддержании постоянного напряжения на аноде. После пробоя напряжение на устройстве настолько низкое, что ток через него от катода к аноду в основном определяется нагрузкой, которую оно питает.
Важно помнить, что небольшой ток от затвора к катоду может привести к срабатыванию или срабатыванию тиристора, превратив его практически из разомкнутой цепи в короткое замыкание. Единственный способ снова изменить его (коммутировать) — это уменьшить ток нагрузки до значения меньше минимального тока прямого смещения. Ток затвора требуется только до тех пор, пока анодный ток полностью не достигнет точки, достаточной для поддержания проводимости (около 5 микросекунд в цепях с резистивной нагрузкой). После того, как начинается проводимость от катода к аноду, снятие тока затвора уже не действует.
Применений SCR в качестве выпрямителя много. Фактически, его многочисленные применения в качестве выпрямителя дали название этому полупроводниковому устройству. Когда переменный ток подается на выпрямитель, через него проходят только положительные или отрицательные половины синусоиды. Все положительные или отрицательные полупериоды появляются на выходе. Однако при использовании тиристора управляемый выпрямитель может быть включен в любое время в течение полупериода, таким образом контролируя количество доступной мощности постоянного тока от нуля до максимума, как показано на рисунке ниже. Поскольку выход фактически представляет собой импульсы постоянного тока, можно добавить подходящую фильтрацию, если требуется непрерывный постоянный ток. Таким образом, любое устройство, работающее от постоянного тока, может иметь регулируемое количество подаваемой на него мощности. Обратите внимание, что SCR должен включаться в нужное время для каждого цикла.
Когда используется источник питания переменного тока, SCR автоматически отключается, так как ток и напряжение падают до нуля. каждый полупериод. Используя один тиристор на положительном чередовании и один на отрицательном, можно выполнить двухполупериодное выпрямление и получить контроль над всей синусоидой. SCR служит в этом приложении, как следует из его названия, как управляемый выпрямитель переменного напряжения.
Как работает кремниевый управляемый выпрямитель?
Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) представляет собой четырехслойное силовое полупроводниковое устройство. Термин «кремниевый выпрямитель» был придуман General Electric, когда SCR были впервые представлены в 1919 году.57. Как и выпрямители, SCR являются однонаправленными устройствами. Сегодня SCR признаны типом тиристора. Другие типы тиристоров, например симисторы, по своей природе являются двунаправленными. В этом разделе часто задаваемых вопросов рассматривается базовая работа тиристоров и режимы работы тиристоров, а в заключение приводится обзор некоторых передовых методов цифрового управления мощностью, применяемых к силовым преобразователям тиристоров.
В качестве базового тиристора тиристор можно рассматривать на двух биполярных транзисторах (один NPN и один PNP), где один из транзисторов служит управляющим (затворным) соединением, а второй транзистор обеспечивает соединения катода и анода для протекания тока (Рисунок 1) . Для базовых SCR затвор подключается к базе NPN-транзистора. В результате он запускается положительным током затвора от G до K. Как только ток затвора подается на устройство NPN, оно потребляет ток коллектора, усиленный β NPN , усиление тока NPN (I C1 = β NPN x I B ), а ток коллектора отводится от базы PNP. В свою очередь, базовый ток PNP усиливается усилением тока PNP (β PNP ). Это приводит к регенеративному состоянию, и SCR фиксируется, когда β NPN x β PNP Продукт достигает единицы. Когда это произойдет, привод ворот можно снять. Минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии, называется током фиксации I L . Прибор отключается, когда анодный ток падает ниже I L .
Рис. 1: Схематическое обозначение SCR (слева), структура кремния (в центре) и упрощенная эквивалентная схема (справа). (Изображение: STMicroelectronics)Преимущества использования тиристоров включают:
- Симметричное выдерживаемое напряжение позволяет тиристорам работать в приложениях с переменным напряжением без последовательного добавления диода
- Способность к высоким перегрузкам по току обеспечивает надежную работу там, где могут ожидаться большие скачки тока, например, в устройствах защиты от перенапряжения, в цепях разряда конденсаторов и в устройствах управления двигателем
- Управление током затвора позволяет использовать простую схему запуска без сложного источника питания.
- Способность оставаться зафиксированной даже после того, как сигнал управления воротами был удален
- Отключение при нулевом токе, что полезно в диммерах и инверторах с фазовым управлением, которые выигрывают от операции переключения при нулевом токе
- Защита от перенапряжения с защитой от перенапряжения
Режимы работы тиристоров
Тиристоры имеют три режима работы (рис. 2):
- Блокировка реверса (состояние выключения)
- Блокировка в прямом направлении (выключенное состояние)
- Прямая проводимость (в состоянии)
Обратная блокировка
Обратная блокировка возникает, когда к катоду приложено положительное напряжение, а к аноду — отрицательное. SCR ведет себя как два последовательно соединенных диода с небольшим током утечки. Если обратное напряжение возрастает до критического уровня, обратное напряжение пробоя (V BR ), происходит лавина, и обратный ток быстро нарастает в области обратной лавины.
SCR доступны с расширенной возможностью обратной блокировки. Они имеют большее падение напряжения в прямом направлении, но номинальное напряжение блокировки в прямом и обратном направлении, как правило, одинаково. Тиристор, который не может блокировать обратное напряжение, называется асимметричным тиристором, ASCR, и имеет номинал обратного пробоя в несколько десятков вольт. ASCR используются в приложениях, где обратное напряжение не может возникнуть, например, в импульсных источниках питания или в сочетании с параллельным диодом с обратной проводимостью.
Прямая блокировка
Прямая блокировка возникает, когда к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду — отрицательное напряжение, а затвор находится под нулевым потенциалом. Протекает только небольшой ток утечки. Когда приложенное напряжение достигает уровня пробоя, происходит лавинный пробой, и тринистор начинает проводить.
Прямая проводимость
Существует два способа включения SCR. Как отмечалось выше, тиристор начнет проводить ток, если приложенное напряжение достигнет уровня пробоя. В качестве альтернативы, подача положительного импульса на затвор включит устройство. Как только SCR начинает проводить, напряжение затвора может быть удалено, и устройство останется во включенном состоянии, пока ток, протекающий через устройство, не упадет ниже I л . Кроме выключения при падении тока ниже I L , тиристор можно выключить кратковременным замыканием между анодом и катодом при выключенном затворе.
Тиристоры с обратной проводимостью
Асимметричные тиристоры могут быть изготовлены путем совместной упаковки тиристора и диода с обратной проводимостью. Эта структура называется тиристором с обратной проводимостью, RCT. Обратный диод предотвращает блокировку тиристором обратных напряжений. RCT используются в приложениях, которые выигрывают от наличия обратного диода свободного хода, таких как инверторы или преобразователи частоты. Поскольку тиристор и диод никогда не проводят ток одновременно, они не выделяют тепло одновременно, что снижает накопление тепла и упрощает управление температурным режимом.
Цифровое управление для SCR
Режим фазового угла часто используется в приложениях SCR, таких как отопление и освещение, из-за его способности точно подавать определенное количество энергии. При использовании управления фазовым углом возникает низкий коэффициент мощности и высокие уровни гармоник, что делает его непригодным для многих приложений. Современные цифровые контроллеры для тиристоров могут предлагать несколько альтернативных режимов работы (рис. 3):
- Режим пересечения нуля (ТАКТ) — это двухполупериодный режим переключения, не создающий гармоник. Этот режим также может управлять нагрузками с трансформаторной связью при минимальных пусковых токах.
- Управление последовательностью изменения напряжения (VSC) может обеспечить быструю реакцию, высокую динамику управления и высокое разрешение управления за цикл, как и режим фазового угла, но без генерации гармоник и шума.
- Режим изменения напряжения (VT) сочетает в себе пересечение нуля и срабатывание фазового угла и часто используется для приложений, не связанных с трансформатором. Режим VT сочетает в себе преимущества режимов TAKT и фазового угла.
Дополнительные режимы цифрового управления были разработаны для конкретных приложений. Например, режим MoSi был разработан для нагревательных элементов на основе дисилицида молибдена (MoSi) с очень низкой морозостойкостью и высокой тепловой инерцией. Контроллер MoSi можно использовать в системах отопления с высоким отношением сопротивления горячему/холодному, чтобы быстро нарастать до заданной температуры в режиме фазового угла, а затем автоматически переключаться в режим пересечения нуля для поддержания температуры.