Схемотехника управляемых выпрямителей
Содержание
Электродвигатели мощных приводов часто нуждаются в регулировке скорости вращения ротора. Устройства, работающие на переменном токе, для этих целей мало подходят, а монтаж различных механических передач усложняет конструкцию и увеличивает габаритные размеры двигателя. Изобретённые в своё время ртутные выпрямители (игнитроны) в целом обеспечивали требуемые функции, но являлись достаточно громоздкими и плохо переносили динамические нагрузки. Ситуация изменилась в лучшую сторону лишь тогда, когда был разработан «умный», управляемый выпрямитель тока на тиристорах.
Виды управляемых выпрямителей
Вследствие более значительной эффективности подавляющее большинство линий электропередач транспортирует переменный ток. Однако в некоторых случаях (для зарядки аккумуляторов электромобилей, систем рельсового транспорта, мощных электроприводов промышленного оборудования) требуется именно постоянный ток.
Для преобразования переменного тока в постоянный в механизмах железнодорожного транспорта используются трансформаторы и выпрямители. Однако для одних приводов важно просто обеспечить надёжное функционирование источника постоянного тока, в то время как для других может потребоваться управление, чтобы приспособить параметры на выходе системы к колебаниям энергии. Именно это обстоятельство и является основной причиной использования таких устройств, как управляемые выпрямители. Их схемы строятся на тиристорах. Этот элемент, как и диод, способен пропускать электроток однонаправлено — от анода к катоду. Но у тиристора в отличие от диода есть 3-й электрод (затвор). Когда на этот электрод поступает управляющий сигнал, тиристор открывается. Ток через него будет проходить, пока его величина не достигнет нуля. Прохождение тока нельзя прервать подачей какого-либо сигнала на затвор.
Есть несколько видов управляемых выпрямителей:
- Однофазные (SCR). Это наиболее распространенный тип. Однофазный самый простой управляемый выпрямитель состоит из одного или нескольких тиристоров. Его основное предназначение — преобразовывать напряжение и ток.
- Трехфазные (AC-DC). Данный тип используется для конвертации переменного напряжения в постоянное с возможностью его регулировки.
- Управляемые мостовые выпрямители применяются для преобразования напряжения и тока переменного вида в постоянный.
- Управляемые плавающие выпрямители применяются с целью обеспечения плавного пуска электродвигателей и другого оборудования. Позволяют плавно изменять параметры электросети при пуске и остановке оборудования.
Однофазный выпрямитель
Среди устройств этого типа самым простым является однофазный однополупериодный управляемый выпрямитель. Его структурная схема состоит из трансформатора, тиристора и блока управления СИФУ. Применение тиристора позволяет контролировать параметры выходного тока более точно, чем при использовании диодов, которые могут находиться только в положении ВКЛ или ВЫКЛ. Тиристор можно подключить так, что электроток будет проходить определенным образом в нужное время.
Трехфазный выпрямитель
Трехфазные типы УВ используются, когда возникает необходимость получить постоянное напряжение из переменного трехфазного. Это наиболее распространенные устройства силовой электроники. Схема типового трехфазного УВ изображена на рисунке ниже.
Принцип действия трехфазного выпрямителя довольно простой. Переменное напряжение через дроссель поступает на первичную трансформаторную обмотку, а затем на вторичную, с которой переходит на выпрямительный блок VS. Гармоники, присутствующие в напряжении на выходе из выпрямительного блока, подавляются с помощью Г-образного индуктивно-емкостного фильтра Ф. Иногда еще возникает необходимость заземлить минусовый провод РЕ.
Регулировочная характеристика
Когда на затвор поступает отпирающий импульс, вентиль открывается, но с некоторой задержкой относительно начала положительной волны напряжения. Угол задержки, который отсчитывается от момента срабатывания вентиля, называется углом управления или регулирования. Он обозначается греческой буквой α. Зависимость этого угла от среднего значения выпрямленного напряжения известна, как регулировочная характеристика управляемого выпрямителя.
Угол управления выпрямителя зависит от характеристик используемых тиристоров, дрейфа фазного напряжения, инерционности системы управления. При разработке любого УВ обязательно выполняется расчет угла α. Его минимальное значение определяется при минимальном входном напряжении, а максимальное — при максимальном отклонении напряжения на входе для заданного уровня выходного напряжения.
Особенности функционирования управляемых выпрямителей
Управляемый выпрямитель на тиристорах способствует преобразованию переменного тока в постоянный так, что выходной сигнал поступает в систему только защищённым способом. Это означает обязательную блокировку любого нежелательного шума или скачков напряжения, которые могут быть вызваны помехами, создаваемыми в линии переменного тока или помехами во время самого процесса выпрямления.
Полупроводники, используемые в схеме тиристорного выпрямителя, обычно очень надежны, но всё же нуждаются в защите с помощью быстродействующих предохранителей. На случай возникновения любой критической неисправности, которая может привести к перегреву системы регулировки, в узлы встраиваются термостатические расцепители, а для уменьшения скачков напряжения применяются специальные демпфирующие участки цепи.
С технической точки зрения схема диодного выпрямителя по сравнению с тиристорным практически не меняется. Только в существующей структуре PNPN-перехода появляется третий вывод. Однако возможности управления выходным напряжением существенно расширяются. Если затвор отключён, то тиристор будет действовать подобно обычному диоду. Он, в частности, может заблокироваться из-за появления критического напряжения, называемого напряжением пробоя, либо вследствие превышения скорости возрастания потенциала межу катодом и анодом. Тогда отключение цепи произойдёт только вследствие снижения тока, пока транзисторы не перейдут в режим отсечки.
Тиристорный выпрямитель функционирует несколько иначе. Из-за того, что контакт затвора соединяется непосредственно с базой, катод будет задействован принудительно. Поэтому проводимость участка схемы восстановится, а ток будет подан на остальные элементы схемы, независимо от того активированы ли они по напряжению или нет. Таким образом, управление произойдёт значительно быстрее, чем в случае использования диодного выпрямителя. Значения параметров тока и напряжения при этом роли не играют.
Режимы включения управляемого выпрямителя
Чтобы уяснить функциональные возможности устройства, достаточно рассмотреть его действие при первичном срабатывании и при обратном запуске.
Первичное срабатывание
Считается самым распространённым способом активации выпрямителя с регулируемым выходным напряжением. При этом используются схемы с вольтодобавкой. Они обеспечивают больший КПД. Выпрямитель с вольтодобавкой обладает параметрами, которые обычно устанавливаются (или подбираются) таким образом, чтобы критическое напряжение несколько превышало то, что обеспечивает источник питания. Тогда простой импульс напряжения, который будет приложен к затвору, уже вызовет включение управляемого выпрямителя.
Обратный запуск
Используется в ситуациях, когда тиристоры могут быть отключены вследствие их прямого замыкания с затвора на катод или подачи обратного напряжения на затвор. Тогда весь ток, который поступает на коллектор управляемого электродвигателя, будет шунтирован через затвор. Значение этого тока может оказаться весьма значительным (достигает 20% от тока нагрузки), что может отрицательно повлиять на срабатывание выпрямителя.
Удержание нагрузочного тока
Определение минимума необходимого тока нагрузки важно для удержания тиристора во включённом состоянии. Если управляемая тиристорным выпрямителем цепь обладает большим сопротивлением, то потребление тока будет незначительным и недостаточным для срабатывания тиристора. Может создаться впечатление, что данный типоразмер выпрямителя не подходит для управления нагрузкой. Рекомендуемые значения тока удержания находятся в диапазоне 1…50 мА.
Наиболее точный результат даёт тестирование напряжения, требующегося для прямого отключения тиристора. Для этого при нажатой кнопке напряжение на устройстве увеличивают, пока тиристор самопроизвольно не защёлкнется. Следует помнить, что для силовых приводов номинал такого напряжения может составлять 500 В и более.
Одновременно тестируют предельное значение импульсного напряжения, для чего в испытательную схему включают соответствующий генератор напряжения. Цель такого тестирования — проверить скорость увеличения напряжения на тиристоре. Подходящим для конкретных целей выпрямителем будет тот, для которого время запирания окажется наименьшим.
Загрузка...
