Для регулировки выходного напряжения в цепях переменного тока с выпрямлением применяют управляемые выпрямители. Наряду с другими способами управления выходным напряжением после выпрямителя, такими как ЛАТР или реостат, управляемый выпрямитель позволяет добиться большего КПД при высокой надежности схемы, чего нельзя сказать ни о регулировании при помощи ЛАТРа, ни о реостатном регулировании.
Использование управляемых вентилей более прогрессивно и гораздо менее громоздко. Лучше всего на роль управляемых вентилей подходят тиристоры.
Многие устройства, выполненные на тиристорах, благодаря их свойствам оказываются проще и эффективнее аналогичных устройств на других элементах. Так, применение тиристоров в схемах регулировки напряжения позволяет управлять значительными мощностями в нагрузке при минимальной мощности в цепи управления.
Тиристоры — полупроводниковые приборы, содержащие три р—n — перехода, которые имеют два устойчивых состояния — включенное или выключенное.
В исходном состоянии тиристор заперт, а возможных устойчивых состояний у него два: закрытое и открытое (проводящее). Если напряжение источника выше нижней рабочей точки тиристора, то при подаче на управляющий электрод импульса тока, тиристор перейдет в проводящее состояние, а следующие импульсы, подаваемые на управляющий электрод никак не отразятся на анодном токе, то есть цепь управления отвечает только за открывание тиристора, но не за его запирание. Можно утверждать, что тиристоры обладают значительным коэффициентом усиления по мощности.
Для выключения тиристора необходимо снизить его анодный ток, чтобы он стал меньше тока удержания, что достигается путем понижения напряжения питания или увеличением сопротивления нагрузки.
Тиристоры в открытом состоянии способны проводить токи до нескольких сотен ампер, но при этом тиристоры довольно инерционны. Время включения тиристора составляет от 100 нс до 10 мкс, а время выключения в десять раз больше — от 1 мкс до 100 мкс.
Чтобы тиристор работал надежно, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать 10 — 500 в/мкс, в зависимости от модели компонента, иначе может произойти ложное включение за счет действия емкостного тока через p-n переходы.
Чтобы избежать ложных включений, управляющий электрод тиристора всегда шунтируют резистором, сопротивление которого обычно лежит в диапазоне от 51 до 1500 Ом.
Помимо тиристоров для регулирования выходного напряжения в выпрямителях используют и другие полупроводниковые приборы: симисторы, динисторы и запираемые тиристоры. Динисторы включаются по напряжению, приложенному к аноду, и имеют они два электрода, как диоды.
Симисторы отличаются возможностью включения управляющими импульсами хоть относительно анода, хоть — относительно катода, однако все эти приборы, как и тиристоры, выключаются снижением анодного тока до значения ниже тока удержания. Что касается запираемых тиристоров, то они могут запираться подачей на управляющий электрод тока обратной полярности, однако коэффициент усиления при выключении в десять раз ниже, чем при включении.
Тиристоры, симисторы, динисторы, управляемые тиристоры, - все эти приборы используются в источниках питания и в схемах автоматики для регулирования и стабилизации напряжения и мощности, а также для целей защиты.
Как правило, в схемы управляемого выпрямления вместо диодов ставят именно тиристоры. В однофазных мостах точка включения диода и точка включения тиристора отличаются, имеет место разность фаз между ними, которую можно отразить рассмотрев угол.
Постоянная составляющая напряжения на нагрузке нелинейно связана с этим углом, поскольку напряжение питания изначально синусоидальное. Постоянная составляющая напряжения на нагрузке, подключенной после регулируемого выпрямителя может быть найдена по формуле:
Регулировочная характеристика тиристорного управляемого выпрямителя показывает зависимость выходного напряжения на нагрузке от фазы (от угла) включения моста:
На нагрузке индуктивного характера ток через тиристоры будет иметь прямоугольную форму, и при угле больше нуля будет происходить затягивание тока в связи с действием ЭДС самоиндукции от индуктивности нагрузки.
При этом основная гармоника сетевого тока будет сдвинута относительно напряжения на некоторый угол. Чтобы исключить затягивание, применяют нулевой диод, через который ток может замыкаться и давать сдвиг меньше в два раза по отношению к углу включения моста.
Чтобы сократить количество полупроводников, прибегают к схеме несимметричного управляемого выпрямителя, где пара диодов заменяет собой нулевой диод, и результат получается тем же.
Схемы с вольтодобавкой также допускают применение тиристоров. Такие схемы позволяют достичь большего КПД. Минимальное напряжение дают диоды, а повышенное подается через тиристоры. В случае наивысшего потребления диоды все время закрыты, а угол включения тиристоров все время 0. Недостаток схемы — потребность в дополнительной обмотке трансформатора.
Часто задаваемые вопросы по управляемым выпрямителям
В: Почему именно тиристоры используются в управляемых выпрямителях, а не другие полупроводниковые приборы?
О: Тиристоры обладают рядом уникальных преимуществ для этой задачи. Они имеют очень высокий коэффициент усиления по мощности, то есть малые управляющие токи могут контролировать значительные токи нагрузки. Кроме того, тиристоры способны проводить токи до нескольких сотен ампер, что необходимо для промышленных применений. Они также обеспечивают хороший КПД и надежность работы схемы, что нельзя сказать о регулировании через ЛАТР или реостаты.
В: В чем разница между включением и выключением тиристора в управляемом выпрямителе?
О: Это принципиальное различие в управлении. Включение тиристора происходит при подаче управляющего импульса на его управляющий электрод, но последующие импульсы на управляющий электрод никак не влияют на анодный ток. Выключение же достигается только путем снижения анодного тока ниже значения тока удержания. Это можно сделать, снизив напряжение питания или увеличив сопротивление нагрузки. Таким образом, цепь управления отвечает только за открывание, а не за закрывание тиристора.
В: Почему время выключения тиристора в десять раз больше времени включения?
О: Это связано с физическими процессами в полупроводниковом приборе. Время включения (от 100 нс до 10 мкс) определяется скоростью инжекции носителей заряда в базовый слой при подаче управляющего импульса. Время выключения (от 1 мкс до 100 мкс) определяется скоростью рассасывания накопленного заряда из базовой области при снижении анодного тока. Процесс рассасывания идет намного медленнее, поэтому выключение тиристора занимает значительно больше времени.
В: Что такое ложное включение тиристора и как его избежать?
О: Ложное включение может произойти, когда анодное напряжение нарастает слишком быстро, со скоростью, превышающей допустимое значение (10-500 В/мкс в зависимости от модели). При быстром нарастании напряжения через емкостные переходы тиристора может протечь достаточно большой емкостный ток, вызывающий случайное включение прибора. Для предотвращения этого управляющий электрод тиристора всегда шунтируют резистором сопротивлением от 51 до 1500 Ом, который обеспечивает утечку емкостного тока в землю.
В: Как работает угол включения в управляемом выпрямителе и на что он влияет?
О: Угол включения определяет, в какой момент полупериода переменного напряжения подается управляющий импульс на тиристор. Этот угол напрямую влияет на среднее значение выходного напряжения на нагрузке. Чем больше угол включения (то есть чем позже в полупериоде открывается тиристор), тем меньше среднее выходное напряжение. При угле 0 градусов тиристор открывается в начале полупериода и выводит максимальное напряжение. Эта зависимость нелинейна, так как исходное напряжение синусоидальное.
В: Что происходит с током через тиристоры при индуктивной нагрузке?
О: При индуктивной нагрузке ток через тиристоры приобретает прямоугольную форму вместо синусоидальной. Кроме того, происходит затягивание тока из-за действия ЭДС самоиндукции индуктивности нагрузки. Это означает, что ток продолжает течь даже после того, как напряжение переменилось бы обратно. Основная гармоника сетевого тока при этом сдвигается относительно напряжения на некоторый угол, вызывая снижение коэффициента мощности и увеличение реактивной мощности.
В: Зачем нужен нулевой диод в схеме управляемого выпрямителя с индуктивной нагрузкой?
О: Нулевой диод решает проблему затягивания тока при индуктивной нагрузке. Он позволяет циркулировать энергии, накопленной в индуктивности, обеспечивая ток через нулевой диод после отключения тиристора. Это снижает сдвиг фазы основной гармоники сетевого тока в два раза по отношению к углу включения моста. Таким образом, нулевой диод улучшает коэффициент мощности и снижает реактивную мощность системы.
В: Какие различия между симисторами и обычными тиристорами в управляемых выпрямителях?
О: Симисторы отличаются от тиристоров возможностью включения управляющими импульсами как относительно анода, так и относительно катода. Это позволяет использовать одну цепь управления для оба полупериодов переменного тока. Однако, как и тиристоры, симисторы выключаются только снижением анодного тока ниже тока удержания. Несмотря на эту гибкость управления, коэффициент усиления при выключении снижается, что требует больших управляющих токов для выключения.
В: Почему запираемые тиристоры имеют меньший коэффициент усиления при выключении?
О: Запираемые тиристоры (GTO) могут запираться подачей на управляющий электрод тока обратной полярности. Однако коэффициент усиления при выключении в десять раз ниже, чем при включении. Это означает, что для выключения требуется управляющий ток той же величины, что и для включения (или даже больше по абсолютному значению), тогда как обычные тиристоры требуют очень малого управляющего тока для включения. Несмотря на это, запираемые тиристоры полезны в приложениях, где требуется точный контроль как времени включения, так и времени выключения.
В: Что такое несимметричный управляемый выпрямитель и когда он используется?
О: Несимметричный управляемый выпрямитель применяется для сокращения количества полупроводниковых приборов в схеме. В нем пара диодов заменяет нулевой диод, достигая практически того же результата по управлению и работе с индуктивной нагрузкой. Это снижает стоимость и сложность схемы при сохранении основных функциональных характеристик, делая его привлекательным для приложений с ограниченным бюджетом.
В: В чем преимущество схемы с вольтодобавкой и есть ли у нее недостатки?
О: Схема с вольтодобавкой позволяет достичь большего КПД, используя диоды для подачи минимального напряжения и тиристоры для повышенного напряжения. При максимальном потреблении диоды открыты все время, а угол включения тиристоров остается на нуле, что минимизирует потери. Это делает схему очень эффективной. Однако основной недостаток состоит в необходимости дополнительной обмотки на трансформаторе, что увеличивает его габариты, вес и стоимость, требуя более сложной конструкции силового трансформатора.
Смотрите также по этой теме: Принципы управления тиристорами и симисторами
Повный Андрей Владимирович, преподаватель Филиала УО Белорусский государственный технологический университет "Гомельский государственный политехнический колледж"