Управляемый выпрямитель на тиристорах. Выпрямитель тиристорный Выпрямительный мост на тиристорах

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 - H1, большему - меньшая часть полупериода синусоиды - H2 (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.

Функциональная схема тиристорных выпрямителей для дуговой сварки в обобщенном и упрощенном виде показана на рис. 19.13 . Отличительным элементом в приведенной схеме является наличие тиристорного выпрямительного блока. Это дает возможность использовать его в качестве регулятора тока РТ. Благодаря сдвигу по времени управляющего импульса (см. рис. 19.3, б ), подаваемого на тиристорный блок, формируют вольт-амперную характеристику выпрямителя и осуществляют его настройку на заданный режим непрерывной или импульсной работы. Для этих целей в схеме источника предусмотрен блок фазоимпульсного управления БФИУ. Через этот же блок замыкаются и обратные связи от дуги на регулятор тока.

Тиристорные выпрямители , как правило, отличаются высокой стабилизацией по напряжению и току дуги при изменениях напряжения питающей сети, длины дуги и температуры окружающей среды.

Рис. 19.13. Функциональная схема выпрямителей дуги с тиристорными регуляторами тока

Получили широкое распространение выпрямители типа ВСВУ-ВСП и ВДУ-ВДГ. В настоящее время это основные выпрямители для дуговой сварки.

В выпрямителях типа ВСВУ - ВСП принцип фазорегулировки заключается в формировании пилообразного напряжения U c , сравнении его с напряжением управления U у и последующем формировании прямоугольных импульсов. На рис. 19.14 приведена карта напряжений блока формирования импульсов управления. Невысокие значения напряжения управления U y = min (вариант а) обеспечивают открытие тиристоров в силовом блоке при α = max. При этом реализуются минимальные выходные параметры источника. Максимальные значения напряжения управления U у = max (вариант б) соответствуют минимальным углам открытия тиристоров α = min и, соответственно, максимальным выходным параметрам.

Рис. 19.14. Карта напряжений блока формирования импульсов: Uc - пилообразное напряжение; Uу - напряжение управления; U0 - напряжение нс тиристорах

По принципу «вертикального управления» тиристорами разработаны широко известные, выпускаемые в больших количествах выпрямители для дуговой сварки с крутопадающими (серия ВСВУ) и пологопадающими (серия ВСП) вольт-амперными характеристиками. Единая принципиальная электрическая схема этих источников реализована в виде унифицированных блоков.

Принципиальная упрощенная электрическая схема источников питания типа ВСВУ приведена на рис. 19.15, а . Трехфазный трансформатор Т имеет одну первичную обмотку W 1 и две вторичные обмотки W 2 и W 2в. Обмотка W 2 подключена к тиристорному выпрямителю V (RT), выполняющему функции регулятора тока и имеющему нологопадающую вольт-амперную характеристику. От вторичной обмотки W 2в, напряжение подводится к диодному выпрямительному блоку V в, образующему вспомогательный источник питания с крутопадающей вольт-амперной характеристикой с помощью линейных дросселей L B . Вспомогательный источник предназначен для зажигания дуги, сварки на малых токах, обеспечивает сигналы обратной связи и др. В процессе сварки дуга питается одновременно от обоих источников. Совмещение двух источников позволило существенно снизить напряжение холостого хода основного источника и сформировать крутопадающие внешние характеристики в области рабочих токов (рис. 19.15, б ).

Рис. 19.15. Источники серии ВСВУ: а - принципиальная электрическая схема; б - вольт-амперные характеристики

Источники питания типа ВСП предназначены для механизированной сварки плавящимся электродом. В связи с этим на блок формирования импульсов поступают сигналы с блока регулирования тока и напряжения. Типовые вольт-амперные характеристики источников серии ВСП приведены на рис. 19.16 . В диапазоне 30-60 В напряжение регулируется плавно. Для улучшения динамических свойств характеристики изменяют угол ее наклона.

Рис. 19.16. Вольт-амперные характеристики источников серии ВСП

В выпрямителях типа ВДУ блок фазоимпульсного управления тиристорами состоит из трех основных элементов (рис. 19.17, а ):

· Узла формирования шестифазного синусоидального напряжения (7);

· узла формирования постоянного напряжения управления (2);

· узла формирования и усиления управляющих сигналов (3).

Рис. 19.17. Схемы управления тиристорами: а - электрическая; б - формирования положительного сигнала

Напряжение управления Uу представляет собой сумму двух встречновключенных постоянных напряжений: напряжения смещения Uсм и регулируемого напряжения задания U3.

Напряжение смещения служит для стабилизации выходных параметров выпрямителя при колебаниях напряжения сети. Регулируемое напряжение задания представляет собой часть стабилизированного напряжения и изменяется резистором. На рис. 19.17, б показано формирование положительного сигнала, подаваемого на вход узла усиления, и формирование сигнала управления тиристорами при двух различных напряжениях задания U 3l и U 32 . При изменении U 3 меняются фаза и длительность положительного гш нала на входе узла усиления (α 1 и α 2), что приводит к изменению угла открытия тиристоров и регулированию режима работы источника.

Принципиальная электрическая схема выпрямителей для дуговой сварки типа ВДУ приведена на рис. 19.18, а . Трансформатор Т имеет две вторичные обмотки, соединенные в две обратные звезды через уравнительный реактор L yp . Тиристоры V 1 - V 6 включены в каждую фазу вторичных обмоток. Линейный дроссель L сглаживает пульсации выпрямленного тока и формирует динамические свойства источника. В качестве датчика тока использован магнитный усилитель МУ. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резистора R oc . Внешние типовые вольт-амперные характеристики рассматриваемых выпрямителей приведены на рис. 19.18, б .

Рис. 19.18. Выпрямители типа ВДУ: а - принципиальная электрическая схема; б - вольт-амперные характеристики.

8. Тиристорные усилители с фазоимпульсным управлением

При этом способе управления в качестве управляющего сигнала используются импульсы, длительность которых, как правило, не превышает полупериода питающего напряжения. Учитывая, что время включения тиристора мало, для управления им используют обычно кратковременные импульсы длительностью от нескольких единиц до сотен микросекунд. Амплитуда управляющих импульсов тока должна превышать ток управления спрямления I У.С.

Изменяя фазу управляющих импульсов в пределах 0<α<π, регулируют напряжение в нагрузке от максимального значения до нуля. При этом методе управления полностью исключается влияние разброса входных параметров тиристора, температуры окружающей среды и p-n переходов, а также формы питающего напряжения на характеристики вход-выход усилителя. К достоинствам фазового метода управления следует отнести также малые потери в управляющем переходе тиристора благодаря кратковременности управляющего импульса. Этот метод получил наибольшее распространение в тиристорных усилителях любой мощности.

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.

Управляемый тиристорный выпрямитель напряжения(тока) ТВН предназначен выпрямления трехфазного переменного напряжения сети и регулирования его действующего значения на нагрузке. Управляемый выпрямитель может применяться для управления двигателем постоянного тока, питания цепей возбуждении генераторов, ТЭНов и т.д. ООО “Звезда Электроника” имеет большой опыт проектирования и производства регулируемых выпрямителей. Наши изделия характеризуется высокой надежностью, стабильностью, развитой системой настроек, относительно небольшими массо-габаритными показателями и разумной ценой. На рисунке 1 представлена структурная схема выпрямителя. В его основе - шесть тиристоров, соединенных по схема трехфазного моста Ларионова и система импульсно-фазового управления(СИФУ). СИФУ реализует импульсно-фазовое управление тиристорами, благодаря которому регулируется выходное напряжение.

Рисунок 1 Структурная схема трехфазного регулируемого выпрямителя ТВН-3

Выходное напряжение выпрямителя имеет пульсирующий характер. Оно содержит как постоянную, так и переменную составляющие. Переменная составляющая проявляется в виде высших гармоник, которыми вносятся нелинейные искажения в форму выходного напряжения. Формы выходного напряжения и тока в одной из фаз питающего напряжения приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 Выходное напряжение управляемого выпрямителя(вверху) и ток в питающей фазе(внизу)

Это следует учитывать при выборе выпрямителя для питания конкретной нагрузки. Например, недопустимо использовать выпрямитель ТВН для питания радиоэлектронной аппаратуры, так как пульсации выходного напряжения ТВН могут привести к выходу ее из строя. По этой причине, ТВН применяется как правило, для питания "грубых" нагрузок - нагревательных элементов, обмоток электродвигателей и т.д.

На выходе выпрямителя установлен шунтирующий диод, препятствующий появлению отрицательного напряжения на нагрузке(на рисунке 1 не показан). Его анод подключен к "минусу", а катод - к "плюсу". Наличие такого диода бывает необходимо при работе на высокоиндуктивную нагрузку - обмотку электрической машины, железоотделителя и т.д.

Таблица 1 Технические характеристики ТВН-3 (стандартная комплектация)

Количество фаз
Номинальное напряжение сети, В	198-242, 342/418
Частота сети	50 Гц
Номинальный ток нагрузки	40, 80, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000 А
Сглаживающий фильтр	Нет
Питание системы управления	220 В 50 Гц
Выходное напряжение	0..230 В, 0..460 В
Метод регулирования	Фазовый
Сигнал управления	0..10 В, 0..20 мА, 4..20 мА, внешний переменный резистор, встроенный переменный резистор, кнопки панели управления
Плавный пуск и выключение	0..25 сек с шагом 0,1 сек
Тип тиристорных модулей	Semikron, Ixys, Протон-Электротекс
Наличие кнопки аварийного отключения	Да
Индикация	Жидко-кристаллический индикатор 32-символьный, светодиоды
Дополнительные контакты	3 программируемых реле 220 В 5 А. Выходной сигнал: “Работа”, “Авария”, “Готовность”
Защита: короткое замыкание на выходе	Электронная защита
Защита: перегрузка длительным током	Электронная защита
Защита: перегрев тиристоров	Датчик температуры 80 С
Защита: потеря фазы или “слипание” фаз	Электронная
Перегрузочная способность	I=1,5 Iн - 10 сек, I=1,25 Iн - 30 сек, I=1,1 Iн - 1 мин
Порог срабатывания защиты от короткого замыкания	I = 3..3,5 Iн
Точность поддержания напряжения в режиме стабилизации напряжения	2% Uн
Время стабилизации напряжения при скачке напряжения сети или нагрузки на 10% в режиме стабилизации напряжения	2..3 сек
Точность поддержания тока в режиме стабилизации тока	2% Iн
Время стабилизации тока при скачке напряжения сети или нагрузки на 10% в режиме стабилизации тока	2..3 сек
Охлаждение	Принудительное встроенными вентиляторами
Ресурс вентилятора	50000 часов
Степень защищенности	IP20
Температура окружающей среды	0..40 С
Относительная влажность воздуха	0..90% без конденсата
Изоляция	Не менее 2,5 кВ между шасси, силовой цепью и управляющими цепями
Режим работы	Длительный, ПВ = 100%
Срок эксплуатации	Не менее 10 лет
Гарантия	12 месяцев

Таблица 2 Дополнительная комплектация управляемых тиристорных выпрямителей ТВН-3

Вводной автоматический выключатель	Коммутация силового напряжения, дублирование защиты от перегрузки и короткого замыкания
	Вывод данных о выходном токе в виде аналогового сигнала 0..10 В
	Подавление высших гармоник в питающей сети, защиты других потребителей от помех
Защита от перенапряжений по входу	Установка полупроводниковых ограничителей перенапряжений(ОПН) фаза-фаза и фаза-корпус
Поверенные приборы контроля напряжения, тока, мощности	Стрелочные или цифровые
Исполнение в напольном шкафу	Шкафы 1600х600х400, 1600х800х400, 1800х800х400 мм
Температурный диапазон -40..+40 С	Достигается за счет отказа от использования вентиляторов в пользу естественного охлаждения
Питание от сети 3х500 или 3х660 В	Питание нестандартным напряжением сети
Степень защиты IP00	Исполнение в виде монтажной панели для установки в электромонтажный шкаф
Степень защиты IP51 Усиление защиты от пыли	Достигается установкой дополнительных фильтров, которые требуют периодической замены или очистки
Степень защиты IP54, IP66 Уличное или морское исполнение	Панель управления с органами управления и дисплеем ”прячется” внутри шкафа. Охлаждение - естественное, температурный диапазон -40..+40 С
Розетка 230 В с заземлением	Для подключения дополнительных приборов. Может быть внутри шкафа или снаружи
Освещение внутри шкафа	Для обслуживания в плохо освещаемых местах
Антиконденсатный обогреватель	Подогрев внутри шкафа при низких температурах и высокой влажности
Пульт дистанционного управления	Для дистанционного управления, кабель в комплекте. Длина кабеля по согласованию, максимальная длина - 50 метров
Трансформатор	Гальваническая развязка от сети
Услуга "Срочный заказ"	Экспресс изготовление в течение 2-3 рабочих дней

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