Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали «моста», выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного «моста» существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой «В» проводят ток, «подобно» диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой «ВЛ» — от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить «корпуса» вентилей «ВЛ» (выход «минус»), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой «В». Такая схема проста в монтаже и «наладке», но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять «балласт»), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара «диод-тиристор» крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь — самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и «погонять» его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут «обжигать» руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который «помогает» прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в «советских» игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы «диссонирует» с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы («сжечь» тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод — при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока.

Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров — чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько «притупляет» схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым — в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по «вторичке» и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

1. силового;
2. схемы фазоимпульсного регулирования;
3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание «диодов» VS1 и VS2.

Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов «подходит», то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был «встроен» в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного «ключа» на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор «привязывает» потенциал точки «А» (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка «В») импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение «В», поэтому импульсы напряжения «С» имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения «С», через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке «Е», в момент перехода через логический порог, «переключает» логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки «Е» соответствует высокое логическое напряжение в точке «F».

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке «Е»:

• меньшее сопротивление R4 — большая крутизна — Е1;
• большее сопротивление R4 — меньшая крутизна — Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом «В», во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке «F» раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

• меньшее сопротивление R4 — раньше появляется импульс — F1;
• большее сопротивление R4 — позже появляется импульс — F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 «повторяет» логические сигналы -точка «G». Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды — h2, большему — меньшая часть полупериода синусоиды — h3 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность «отрезков» синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением «логики» — пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения — приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз «подходящим» вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для «загрубления» шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

• размыкают подстроечное сопротивление R1 — схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
• вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0…300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора — мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 — на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа — шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи «300 В».

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками «D» и «E» блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12…13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного «подзаряженным» аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика «закрывает» подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

Форма импульса управления силовыми тиристорами

Требования к формирователям импульсов управления (драйверам) основаны на том, что тиристор является полупроводником, который управляеться током, поэтому для надежной и безотказной работы блок драйвера должен обеспечивать импульс тока требуемой формы и амплитуды, поступающего в цепь управления электрод-катод тиристора.

Ниже преведены требования для наиболее распространенных случаев применения тиристора. В случае специального применения рекомендуеться обратиться к спецциалистам ЗАО «Протон-Электротекс» или к официальному представителю в РБ УП «Силовая электроника» г. Минск за консультацией.

Типовые формы тока и напряжения цепи управления приведены на рисунке 1.

IGon — уровень тока подпитки;
IGon = (3 — 5) I Gt;
где I Gt — отпирающий постоянный ток управления (параметр береться для минимальной рабочей температуры, при которой будет эксплуатироваться тиристор).
IGm — амплитуда форсирующего импульса, равна (10-12)I Gt.
diG/dt — скорость нарастания тока управления; больше 2 А/мкс, ограничений сверху нет.
tpf — длительность форсирующего импульса управления; равна (2-3) t gd, примерно 5 — 25 мкс, где t gd— время задержки.
Для низких рабочих температуррекомендуеться выбирать большую длительность импульса управления.
tpon — длительность импульса тока подпитки; равна (3-5) t Gt, примерно 50мкс и более, где t Gt — время включения, зависит от схемы включения прибора;

Длительность t pon определяется характером нагрузки и условиями функционирования схемы, в котрой находится тиристор. Ток за данное время выпоняет функции страховки тиристора, если есть вероятность снижения анодного тока до значения тока удержания с последующим нарастанием. Ток подпитки обеспечит штатное включение тиристора.

Не рекомендуется присутсвие прямого тока управления и обратного напряжения анод-катод.

**Для минимизации влияния индуктивности проводников управления на скорость нарастания тока управления необходимо, чтобы напряжение холостого хода драйвера управления находилось в пределах 15-30В.**

Допускаеться приложение отрицательного напряжения к цепи управления. Пиковое обратное напряжение управления для повышения уровня помехоустойчивости тиристора не должно привышать 5В.

Рабочая точка нагрузки управляющего электрода должна находиться в зоне оптимального управления, а именно не должна выходить за кривую, соответствующую максимально допустимой мощности потерь на управляющем электроде при принятой длительности и скважности импульсов управления и не должна попасть в зону негарантированного включения тиристора. Вольамперная характеристика управляющего электрода приведена в информационных материалах на соответствующий тиристор.

Блок драйвера монтируеться по возможности ближе к тиристору, свивают провода управления между собой. Следует также принять меры по исключению соприкосновения проводов управления с поверхностями, имеющими высокий потенциал, или воздействие быстро изменяющегося электромагнитного поля для того, что бы избежать влияния электромагнитных помех на цепь управления.

приложений SCR | Переключатель, управление питанием переменного и постоянного тока, защита от перенапряжения Protec

В этом руководстве мы узнаем о некоторых широко известных приложениях SCR. Приложения SCR: коммутация, управление мощностью в цепях переменного и постоянного тока, защита от перенапряжения и т. д. ток затвора, а также способный переключать высокие напряжения, позволяет использовать SCR или тиристор в различных приложениях.

Эти приложения включают переключение, выпрямление, регулирование, защиту и т. д. SCR используются для управления бытовой техникой, включая освещение, контроль температуры, регулирование скорости вентилятора, обогрев и активацию сигнализации.

В промышленности тиристоры используются для управления скоростью двигателя, зарядкой аккумулятора и преобразованием энергии. Некоторые из них объясняются ниже.

SCR как коммутатор

Операция переключения является одним из наиболее важных применений SCR. SCR часто используется в качестве твердотельного реле и имеет больше преимуществ, чем электромагнитные реле или переключатели, поскольку в SCR нет движущихся частей.

На приведенном ниже рисунке показано применение тиристора в качестве переключателя для включения и выключения питания, подаваемого на нагрузку. Мощность переменного тока, подаваемая на нагрузку, управляется путем подачи чередующихся импульсов запуска на SCR. Резисторы R1 и R2 защищают диоды D1 и D2 соответственно. Резистор R ограничивает ток затвора.

Во время положительного полупериода входа SCR1 смещен в прямом направлении, а SCR2 смещен в обратном направлении. Если переключатель S замкнут, ток затвора подается на SCR1 через диод D1, и, следовательно, SCR1 включается. Следовательно, ток течет к нагрузке через SCR1.

Аналогично, во время отрицательного полупериода сигнала SCR2 смещен в прямом направлении, а SCR1 смещен в обратном направлении. Если ключ S замкнут, ток затвора течет к SCR2 через диод D2. Следовательно, SCR2 включается, и через него протекает ток нагрузки.

Таким образом, управляя переключателем S, ток нагрузки можно регулировать в любом желаемом положении. Замечено, что этот переключатель обрабатывает ток в несколько миллиампер для управления током в несколько сотен ампер в нагрузке. Так что этот способ переключения более выгоден, чем механическое или электромеханическое переключение.

Вернуться к началу

Управление мощностью с помощью тиристоров

Тиристоры способны управлять мощностью, передаваемой на нагрузку. Часто требуется изменять мощность, подаваемую на нагрузку, в зависимости от требований нагрузки, таких как регулирование скорости двигателя и регуляторы освещенности.

В таких условиях изменение мощности с помощью обычных регулируемых потенциометров не является надежным методом из-за больших потерь мощности. Для уменьшения рассеиваемой мощности в цепях большой мощности тиристоры являются лучшим выбором в качестве устройств управления мощностью.

Управление мощностью переменного тока с помощью SCR

В цепях переменного тока управление фазой является наиболее распространенной формой управления мощностью SCR. При управлении фазой путем изменения угла срабатывания альфа на клемме затвора достигается управление мощностью.

На рисунке ниже показана полная схема управления волной переменного тока, иллюстрирующая метод управления фазой. Учтите, что питание переменного тока подается на два встречно-параллельных тиристора. В течение положительного полупериода сигнала SCR1 проводит, в то время как в отрицательном полупериоде SCR2 проводит, когда к ним применяются соответствующие стробирующие импульсы.

Путем изменения угла включения соответствующих тиристоров изменяется время включения. Это приводит к изменению мощности, потребляемой нагрузкой. На приведенном ниже рисунке тиристоры срабатывают при задержанных импульсах (что означает увеличение угла открытия), что приводит к уменьшению мощности, подаваемой на нагрузку.

Основным преимуществом фазового управления является то, что тиристоры автоматически выключаются при каждом текущем нулевом положении переменного тока. Следовательно, для выключения тиристора не требуется никаких коммутационных цепей.

 

Вернуться к началу

Управление мощностью постоянного тока с помощью SCR

В случае цепи постоянного тока мощность, подаваемая на нагрузку, изменяется путем изменения продолжительности включения и выключения тиристоров. Этот метод называется прерывателем или управлением ON-OFF. На рисунке ниже показано простое управление нагрузкой ON-OFF с помощью SCR.

Также возможно переключение тиристора с определенной частотой срабатывания, чтобы варьировался ток, протекающий к нагрузке. Примером такой схемы является схема SCR на основе ШИМ для создания переменного выхода на нагрузку.

Можно производить переменную мощность постоянного тока для нагрузки, используя схемы выпрямителя с фазовым управлением. Средняя мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку, контролируется моментом включения тиристора. Некоторые из этих схем выпрямителя приведены ниже.

Однополупериодный выпрямитель

На приведенной ниже схеме показана схема однофазного однополупериодного выпрямителя с использованием SCR. Диод последовательно с переменным резистором подключен к затвору, который отвечает за запуск SCR.

• Во время отрицательного полупериода входного сигнала переменного тока тиристор смещен в обратном направлении. Следовательно, ток через нагрузку не течет.
• Во время отрицательного полупериода входа SCR смещен в прямом направлении. Если резистор изменяется таким образом, что на затвор подается минимальный ток срабатывания, то SCR включается. Следовательно, ток начинает течь к нагрузке.
• Если ток затвора выше, напряжение питания, при котором SCR включается, будет меньше. Угол, при котором SCR начинает проводить ток, называется углом зажигания. Для этой схемы выпрямителя угол открытия можно изменять только в течение положительного полупериода.
• Таким образом, изменяя угол открытия или ток затвора (путем изменения сопротивления в этой цепи), можно заставить SCR проводить часть или полный положительный полупериод, так что средняя мощность, подаваемая на нагрузку, будет варьироваться.

Двухполупериодный выпрямитель

В двухполупериодном выпрямителе выпрямляются как положительные, так и отрицательные волны входного питания. Следовательно, по сравнению с однополупериодным выпрямителем, среднее значение постоянного напряжения выше, а пульсации меньше. На рисунке ниже показана схема двухполупериодного выпрямителя, состоящая из двух тиристоров, соединенных с трансформатором с отводом от середины.

• Во время положительного полупериода входа SCR1 смещен в прямом направлении, а SCR2 смещен в обратном направлении. При подаче соответствующего сигнала затвора SCR1 включается, и, следовательно, через него начинает протекать ток нагрузки.

• Во время отрицательного полупериода входа SCR2 смещен в прямом направлении, а SCR1 смещен в обратном направлении. При срабатывании затвора SCR2 включается, и, следовательно, ток нагрузки протекает через SCR2.

• Таким образом, изменяя ток срабатывания тиристоров, можно изменять среднюю мощность, подаваемую на нагрузку.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Вместо трансформатора с отводом от середины можно также использовать четыре тиристора в мостовой конфигурации для получения двухполупериодного выпрямления. Во время положительного полупериода входа SCR1 и SCR2 находятся в проводимости. Во время отрицательного полупериода SCR3 и SCR4 находятся в проводимости. Угол проводимости каждого тиристора регулируется путем изменения соответствующих токов затвора. И, следовательно, выходное напряжение на нагрузке варьируется.

Вернуться к началу

Защита от перенапряжения с использованием SCR

Благодаря быстрому переключению SCR, одним из распространенных применений SCR является то, что его можно использовать в качестве защитного устройства. Схема, используемая для защиты от перенапряжения, называется схемой Crowbar.

На рисунке ниже показана схема лома с использованием SCR. Эта цепь лома подключается к цепи или нагрузке, которую необходимо защитить. Эта схема состоит из тринистора, который запускается стабилитроном. Этот стабилитрон подобран таким образом, что при нормальных условиях работы он действует как разомкнутый переключатель.

Таким образом, напряжение на резисторе равно нулю, и, следовательно, SCR остается в выключенном состоянии.

Всякий раз, когда напряжение источника питания превышает указанные пределы, стабилитроны начинают открываться, и на резисторе появляется достаточное напряжение. Это переводит SCR в режим проводимости. Падение напряжения на SCR уменьшается, поскольку он находится в режиме проводимости, и, таким образом, нагрузка защищена от перенапряжения.

Вернуться к началу

SCR Тиристорное управление фазой | Цепь

Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

Управление фазой является наиболее распространенным методом, используемым для управления мощностью тиристоров. Там, где используются методы управления фазой, используется только часть волны переменного тока. Тиристорные устройства блокируют проводимость до тех пор, пока не перейдут во включенное состояние.

Срабатывание тиристора может произойти в любой момент данного полупериода. Чем дольше задержка срабатывания, тем ниже будет напряжение нагрузки.

Использование тиристора, такого как SCR, тиристор GTO или симистор с подходящей схемой запуска, позволит бесступенчато изменять напряжение нагрузки от нуля до максимально доступного значения.

Напряжение нагрузки фактически регулируется углом открытия тиристора α. Угол срабатывания является показателем задержки срабатывания и измеряется в электрических градусах. Когда напряжение нагрузки максимально, угол срабатывания равен нулю.

Методы управления фазой могут одинаково хорошо применяться к нагрузкам постоянного и переменного тока, питаемым от источника переменного тока. В случае нагрузки постоянного тока изменяется среднее напряжение нагрузки, а в случае нагрузки переменного тока изменяется действующее значение напряжения нагрузки. В обоих случаях это приводит к изменению средней мощности нагрузки.

Рисунок 1  отображает типичные формы сигналов напряжения нагрузки для управляемой нагрузки постоянного тока, где используются методы управления фазой.

Рисунок 1 Формы напряжения для нагрузки постоянного тока с фазовым управлением большой. Для малой мощности нагрузки α большой, а θ маленький. По мере увеличения угла триггера угол проводимости уменьшается. Для цепей с однофазным питанием и резистивной нагрузкой:

На рисунке 2 показаны типичные формы сигналов для ситуации, когда методы управления фазой используются для управления мощностью нагрузки переменного тока. Принципы идентичны принципам приложения постоянного тока, с той лишь разницей, что ток нагрузки является двунаправленным.

Рисунок 2 Осциллограммы напряжения для нагрузки переменного тока с фазовым управлением

Преимущества фазового управления:

• Широкий диапазон применений, от нагрузок очень низкой до очень высокой мощности
• Высокая эффективность
• Маленький размер, компактное оборудование
• Умеренная стоимость.

Управление фазой имеет два основных недостатка:

• «Срезанная» форма волны создает гармоники (кратные частоте сети), которые отражаются обратно в систему питания. Эти гармоники могут в экстремальных случаях мешать другому оборудованию.
• Быстрое переключение тиристоров вызывает очень быстрый рост тока нагрузки, вызывая высокочастотные колебания. Частота этих колебаний обычно находится в диапазоне AM-вещания и может вызывать помехи для оборудования связи, работающего на этих частотах. Колебания, называемые радиочастотными помехами (РЧП), могут излучаться напрямую, но также могут проникать в систему электроснабжения. РЧ-помехи, генерируемые тиристорными цепями, увеличиваются по мере того, как угол срабатывания приближается к 90°. Она минимальна, когда срабатывание происходит при 0° или 180°. Возврат РЧ-помех в систему питания можно предотвратить с помощью цепей подавления РЧ-помех, как показано на Рисунок 3 .

Рис. 3 Подавление РЧ-помех

На радиочастотах конденсатор обеспечивает путь с низким импедансом для возврата РЧ-помех, генерируемых тиристором, на тиристор. Для частот сети питания конденсатор имеет высокое сопротивление и не влияет на работу электрооборудования.

Катушка индуктивности создает путь с высоким импедансом для высокочастотных колебаний, пытающихся проникнуть в источник питания. На частотах сети он обеспечивает минимальный импеданс и не влияет на работу электрооборудования.

Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

Функция этой схемы заключается в управлении средним значением мощности в нагрузке постоянного тока, питаемой от источника переменного тока. Это достигается за счет управления средним значением напряжения нагрузки с помощью методов фазового управления.

Конфигурация схемы аналогична однофазному однополупериодному выпрямителю, основное отличие состоит в том, что диод заменен тринисторным тиристором. Также должна быть включена триггерная схема для управления SCR. Возможны многие варианты схемы триггера. Будет обсуждаться только одна триггерная схема.

Работа

В схеме этого типа необходимо сконфигурировать схему запуска так, чтобы импульсы запуска могли изменяться от начала положительного полупериода до конца полупериода. Импульсы должны быть синхронизированы с сетью, чтобы при заданной настройке на РВ ₁  задержка запуска одинакова в каждом положительном полупериоде.

В схеме Рисунок 4 , D ₁ , R ₁ и ZD ₁ обеспечивают регулируемое питание для схемы запуска UJT. Цепь триггера подключена таким образом, что при срабатывании тринистора триггерная цепь эффективно замыкается накоротко из-за очень малого прямого падения напряжения на проводящем тринисторе. В результате получается:

• Только один запускающий импульс в каждом положительном полупериоде
• Время, необходимое для того, чтобы конденсатор достиг напряжения пиковой точки и, следовательно, заставил UJT вызвать срабатывание SCR, было одинаковым в каждом положительном полупериоде.

Рис. 4 Однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель

По мере увеличения времени, необходимого для повышения напряжения конденсатора до напряжения пиковой точки UJT, срабатывание тиристора задерживается еще больше в каждой положительной половине -цикл, что приводит к снижению среднего напряжения нагрузки. Угол срабатывания регулируется настройкой на RV 9.0223 1 . По мере увеличения RV ₁ постоянная времени в цепи запуска увеличивается, увеличивая угол запуска. Точно так же, если значение параметра RV ₁  уменьшится, постоянная времени и угол срабатывания уменьшатся.

Когда   RV ₁   имеет минимальное значение, угол срабатывания будет равен нулю, а напряжение нагрузки будет максимальным.

Это значение идентично полученному от неуправляемого однофазного однополупериодного выпрямителя.

Когда   RV ₁   установлено максимальное значение, угол срабатывания будет равен 180°, а напряжение нагрузки будет равно нулю. Для углов срабатывания от 0° до 180° напряжение нагрузки определяется из:

Пример 1 входное напряжение составляет 240 В, а угол срабатывания установлен на 60°.

Пиковое обратное напряжение, которому подвергается SCR, также важно и определяется из:

Пример 2

V. Определите требуемый рейтинг PRV СКР.

Управляемый однофазный однополупериодный выпрямитель имеет те же недостатки, что и неуправляемый однофазный однополупериодный выпрямитель. Наиболее важными из них являются:

• Низкий выход постоянного тока для данного входа переменного тока
• Низкая частота пульсаций и «грубая» форма волны напряжения нагрузки
• Насыщение сердечника питающего трансформатора при высоком токе нагрузки.

Осциллограммы

На рис. 5 показаны типичные осциллограммы для схемы Рис. 4 , когда угол запуска установлен на 60°.

Рисунок 5 Форма волны однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя

Из-за характера формы кривой напряжения нагрузки и других недостатков однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель находит мало применений в промышленности. Напротив, широко используются многофазные однополупериодные управляемые выпрямители.

Двухполупериодный управляемый выпрямитель — однофазный

В этой схеме выпрямителя преодолены основные недостатки однополупериодного управляемого выпрямителя. Единственный способ добиться дальнейшего улучшения производительности — это использовать многофазные выпрямители.

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель представляет собой мостовой выпрямитель, однако он может иметь одну из следующих форм:

• Два тринистора и два диода — полууправляемый мост
• Четыре SCR — полностью управляемый мостик.

Здесь будет обсуждаться только полууправляемый мост, поскольку полностью управляемый мост не дает преимуществ при питании резистивных нагрузок, но требует более сложной схемы запуска. Полностью управляемые мосты используются в таких приложениях, как управление скоростью двигателя постоянного тока, где требуется рекуперативное торможение.

Полууправляемый мостовой выпрямитель

Полууправляемый мост показан на Рис. 6.

2  с SCR ₂ и D ₁ имеют обратное смещение. В следующем полупериоде ток нагрузки подается через SCR ₂ и D ₁ с тиристором ₁ и D ₂ с обратным смещением. Ток нагрузки, конечно, не может протекать до тех пор, пока соответствующий SCR не перейдет во включенное состояние.

Тиристоры и диоды в этой цепи работают с 50-процентным рабочим циклом; то есть они проводят только 50 процентов времени. Этот факт можно принять во внимание с некоторой долей осторожности при выборе номинального тока для тринисторов и диодов для конкретного применения.

Схема запуска в этой схеме настроена таким образом, что каждый SCR будет получать несколько импульсов запуска в каждом полупериоде. Однако обычно это не представляет проблемы, поскольку запускающий импульс не влияет на проводящий тиристор или на тиристор, смещенный в обратном направлении.

Подобно выпрямителю с однополупериодным управлением, выходное напряжение этой схемы регулируется потенциометром в цепи запуска.

Когда α  = 0°, напряжение нагрузки максимальное, и:

Когда α  = 180°, напряжение нагрузки равно нулю. Для углов запуска от 0° до 180° напряжение нагрузки может быть определено из следующего выражения:

Пример 3

Определите напряжение нагрузки постоянного тока, подаваемое от однофазного полууправляемого мостового выпрямителя, где вход переменного тока напряжение составляет 240 В, а угол срабатывания установлен на 60°.

Тиристоры и диоды в этой схеме подвергаются тому же PRV, что и диоды в однофазном неуправляемом мостовом выпрямителе, то есть:

Пример 4

Фигура 6  входное напряжение переменного тока составляет 240 В. Определите требуемый номинал PRV тиристоров и диодов.

Обратите внимание, что выходное напряжение для этой схемы вдвое больше, чем у однополупериодного выпрямителя при том же угле запуска. Управляемый мостовой выпрямитель лучше подходит и обычно используется для питания нагрузок малой и средней мощности.

Схема в Рисунок 6  можно изменить, чтобы настроить схему запуска таким образом, чтобы в каждом полупериоде подавался только один запускающий импульс, как в Рисунок 7 . Оба SCR по-прежнему срабатывают одновременно; однако включится только SCR, смещенный в прямом направлении.

Рисунок 7 Однофазный полууправляемый мостовой выпрямитель с модифицированной схемой запуска

Осциллограммы

Типовые осциллограммы для однофазной полууправляемой мостовой выпрямительной схемы, где угол срабатывания установлен на 60° , показаны на Рисунок 8 . Рис. форма волны. Поскольку используются оба полупериода питания, решается проблема насыщения питающего трансформатора при больших токах нагрузки.

Кроме того, поскольку периоды между импульсами напряжения нагрузки короче (частота пульсаций удваивается), мощность нагрузки более плавная.