Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель

Содержание

Как проверить тиристор от отдельного источника управляющего напряжения?

Вернемся к первой схеме проверки тиристора, от источника постоянного напряжения, но несколько видоизменив ее.

Смотрим рисунок №3.

4. Урок №4 — «Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно — фазовый метод»

5. Урок №5 — «Тиристорный регулятор в зарядном устройстве»

В этих уроках, в простой и удобной форме, излагаются основные сведения по полупроводниковым приборам: динисторам и тиристорам.

Что такое динистор и тиристор, выды тиристоров и их вольт — амперные характеристики, работа динисторов и тиристоров в цепях постоянного и переменного тока, транзисторные аналоги динистора и тиристора.

А так же: способы управления электрической мощностью переменного тока, фазовый и импульсно-фазовый методы.

Каждый теоретический материал подтверждается практическими примерами. Приводятся действующие схемы: релаксационного генератора и фиксированной кнопки, реализованных на динисторе и его транзисторном аналоге; схема защиты от короткого замыкания в стабилизаторе напряжения и многое другое.

Особенно интересна для автолюбителей схема зарядного устройства для аккумулятора на 12 вольт на тиристорах. Приводятся эпюры формы напряжения в рабочих точках действующих устройств управления переменным напряжением при фазовом и импульсно-фазовом методах.

Чтобы получить эти бесплатные уроки подпишитесь на рассылку, заполните форму подписки и нажмите кнопку «Подписаться».

Добрый вечер хабр. Поговорим о таком приборе, как тиристор. Тиристор — это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или больше взаимодействующих выпрямляющих перехода. По функциональности их можно соотнести к электронным ключам. Но есть в тиристоре одна особенность, он не может перейти в закрытое состояние в отличие от обычного ключа. Поэтому обычно его можно найти под названием — не полностью управляемый ключ.

На рисунке представлен обычный вид тиристора. Состоит он из четырех чередующихся типов электро-проводимости областей полупроводника и имеет три вывода: анод, катод и управляющего электрод. Анод — это контакт с внешним p-слоем, катод — с внешним n-слоем. Освежить память о p-n переходе можно .

Принцип работы

В связи с таким рисунком можно назвать крайние области — эмиттерными, а центральный переход — коллекторным. Чтобы разобраться как работает тиристор стоит взглянуть на вольт-амперную характеристику. К аноду тиристора подали небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы включены в прямом направлении, а коллекторный в обратном. (по сути все напряжение будем на нем). Участок от нуля до единицы на вольт-амперной характеристике будет примерно аналогичен обратной ветви характеристики диода. Этот режим можно назвать — режимом закрытого состояния тиристора. При увеличении анодного напряжения происходит происходит инжекция основных носителей в области баз, тем самым происходит накопление электронов и дырок, что равносильно разности потенциалов на коллекторном переходе. С увеличением тока через тиристор напряжение на коллекторном переходе начнет уменьшаться. И когда оно уменьшится до определенного значения, наш тиристор перейдет в состояние отрицательного дифференциального сопротивления (на рисунке участок 1-2). После этого все три перехода сместятся в прямом направлении тем самым переведя тиристор в открытое состояние (на рисунке участок 2-3). В открытом состоянии тиристор будет находится до тех пор, пока коллекторный переход будет смещен в прямом направлении. Если же ток тиристора уменьшить, то в результате рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях и коллекторный переход окажется смещен в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние. При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика будет аналогичной как и у двух последовательно включенных диодов. Обратное напряжение будет ограничиваться в этом случае напряжением пробоя.

Общие параметры тиристоров

Напряжение включенияПрямое напряжениеОбратное напряжение

допустимое напряжениеМаксимально допустимый прямой токОбратный токМаксимальный ток управления электродаВремя задержки включения/выключенияМаксимально допустимая рассеиваемая мощность

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку Ud считаем заданным, то

Из предыдущего выражения имеем:

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Модели с контактным компаратором

Управляемые выпрямители с контактным компаратором в последнее время пользуются большим спросом. Среди особенностей модификаций стоит отметить высокую степень перегрузки. Системы защиты в основном применяются класса Р55. Работают устройства с одной конденсаторной коробкой. При напряжении 12 В выходной ток равен не менее 3 А. Многие модели способны похвастаться высокой проводимостью при частоте 5 Гц.

Стабилизаторы довольно часто применяются низкоомного типа. Они хорошо себя показывают в цепи переменного тока. На производстве выпрямители применяются для работы силовых трансформаторах. Допустимый уровень проводимости у них равен не более 50 мк. Рабочая температура в данном случае зависит от типа динистора. Как правило, они устанавливаются с несколькими обкладками.

Применение регулятора в быту и техника безопасности

Нельзя не сказать о том, что данная схема не обеспечивает гальванической развязки от сети, поэтому существует опасность поражения электрическим током. Это значит, что не стоит касаться руками элементов регулятора. Необходимо использовать изолированный корпус. Следует проектировать конструкцию вашего прибора так, чтобы по возможности вы могли спрятать её в регулируемом устройстве, найти свободное место в корпусе. Если регулируемый прибор располагается стационарно, то вообще имеет смысл подключить его через выключатель с регулятором яркости света. Такое решение частично обезопасит от поражения током, избавит от необходимости поиска подходящего корпуса, имеет привлекательный внешний вид и изготовлено промышленным методом.

Разновидности сварочных выпрямителей

Токогенерирующие сварочные преобразователи различают по конструкции и способу регулировки силовых параметров.

Виды выпрямителей:

  • регулируемые трансформатором;
  • с дросселем – индукционной катушкой, сдерживающей резкие скачки напряжения;
  • с регулирующими тиристорами, меняющими напряжение тока;
  • с транзисторами – полупроводниками, сглаживающими скачки импульсного тока;
  • инвертор – преобразователи с частотным повышением тока и регулятором его силы.

Классификация выпрямителей по возможностям регулировки вольт-амперных характеристик (несколько слов об особенностях каждого из аппаратов):

  1. Трехфазные для ручной электродуговой сварки. Громоздкие модели трансформатором. Преобразователь работает с большими энергетическими потерями, возможности ограничены мощностью трансформатора металлическим или магнитным шунтом – дополнительным сопротивлением.
  2. Автоматы и полуавтоматы. Силовой поток регулируется магнитным полем. Реостатная вторичная обмотка позволяет менять число витков — это принцип вольт-амперной регулировки. Для импульсной регулировки установлен осциллограф. Ток сначала выпрямляется, затем трансформируется в переменный высокой чистоты.
  3. Дроссельные трехфазные выпрямители для дуговой и аргоновой сварки. Они оснащены дополнительным сердечником с обмоткой, выполняющим роль накопителя заряда, подаваемого на выпрямляющий конденсатор.

2.3. Управляемый выпрямитель на тиристоре

В
выпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или при
нагрузке, начинающейся с индуктивного элемента.

В управляемый
выпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электроду
подводят от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием
на угол a относительно
выпрямляемого напряжения (рис. 2.1.3).

Через тиристор
VS1, включающийся в момент, соответствующий   wt =a на
выход выпрямителя передается напряжение первой фазы вторичной обмотки e21. При wt=p
напряжение e21 становится отрицательным, однако тиристор запереться не может,
так как это привело бы к обрыву тока, проходящего через дроссель L.
Индуктивность дросселя L выбирают большей критической, чем и поддерживают
непрерывный ток. Поэтому в те моменты, когда e21 отрицательно, на дросселе L
наводится ЭДС самоиндукции с полярностью и значением, обеспечивающими
напряжение на катоде, меньше e21.

При wt=p+a открывается тиристор VS2, через который на выход передается
напряжение e22, являющееся на данном этапе положительным. Ток дросселя
переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 оказавшись обесточенным и смещенным в
обратном направлении, запирается и т. д. Таким образом, напряжение на выходе
выпрямителя e0 создается лишь теми частями напряжений вторичных полуобмоток E21
и E22, которые соответствуют открытому состоянию тиристоров.

Схемы на тиристорах

Регулировать общую мощность паяльника можно довольно просто, если использовать для этого аналоговые или же цифровые паяльные станции. Последние довольно дорогие совершать использование, и собрать их, не имея особого опыта, довольно сложно. В то время как аналоговые приборы (считаются по своей сути регуляторами общей мощности) не составит труда создать самостоятельно.

Довольно простая схема прибора, которая поможет регулировать показатель мощности на паяльнике.

  1. VD — КД209 (либо близкие по его общим характеристикам).
  2. R 1 — сопротивление с особым номиналом в 15 кОм.
  3. R 2 — это резистор, который обладает особым показателем переменного тока около 30 кОм.
  4. Rn — это общая нагрузка (в этом случае вместо неё будет использован особый маятник).

Такое устройство для регуляции может контролировать не только положительный полупериод, по этой причине мощность паяльника будет в несколько раз меньше номинальной. Управляется такой тиристор с помощью специальной цепи, которая несёт в себе два сопротивления, а также ёмкость. Время зарядки конденсата (оно будет регулироваться особым сопротивлением R2) влияет на длительность открытия такого тиристора.

В статье рассказывается о том, как работает тиристорный регулятор мощности, схема которого будет представлена ниже

В повседневной жизни очень часто возникает необходимость регулирования мощности бытовых приборов, например электроплиты, паяльника, кипятильников и ТЭНов, на транспорте – оборотов двигателя и т.д. На помощь приходит простейшая радиолюбительская конструкция – регулятор мощности на тиристоре. Собрать такое устройство не составит труда, оно может стать тем самым первым самодельным прибором, который будет выполнять функцию регулировки температуры жала паяльника начинающего радиолюбителя. Стоит отметить, что готовые паяльные станции с контролем температуры и прочими приятными функциями стоят на порядок дороже простого паяльника. Минимальный набор деталей позволяет собрать простой тиристорный регулятор мощности навесным монтажом.

К сведению, навесной монтаж — это способ сборки радиоэлектронных компонентов без применения печатной платы, а при хорошем навыке он позволяет быстро собрать электронные устройства средней сложности.

Вы также можете заказать электронный конструктор тиристорного регулятора, а для тех, кто хочет разобраться во всём самостоятельно, ниже будет представлена схема и объяснён принцип работы.

Применение IGBT

Рис. 5. Пример выпрямителя на IGBT, способного давать ток до 1500 А

Более перспективной элементной базой для инверторных выпрямителей являются IGBT. Вот их основные преимущества по сравнению с тиристорами:

  • как минимум на порядок меньшее время перехода из состояния «закрыто» в состояние «открыто» и обратно;
  • возможность создания мощных инверторов с рабочей частотой до 30 кГц;
  • хорошая управляемость. Подача того или иного напряжения на затвор однозначно вызывает открытие или закрытие IGBT.

Быстрое переключение из одного состояния в другое уменьшает нагрев прибора. Высокая рабочая частота инвертора радикально уменьшает размеры трансформатора и дросселей, что позволяет создавать компактные выпрямители (рисунок 5)

Наконец, хорошая управляемость позволяет создавать инверторы, устойчиво работающие при изменении нагрузки в широких пределах, что очень важно для гальваники. Малый размер выпрямителя упрощает его защиту от влаги и пыли, что позволяет расположить выпрямитель максимально близко к гальванической ванне

Тем самым более рационально используется площадь производственного цеха и снижаются затраты на шинопроводы.

Сравнение характеристик типичных выпрямителей российского производства на основе тиристоров и IGBT дано в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики отечественных выпрямителей для гальваники с питанием от трехфазной сети переменного тока 380 В

Наименование HBA ТЕ1-800/24Т IMP Gold UNIV-800A/12V HBA ТВ1-1600/12Т NEON ИПГ-12/1500-380
Элементная база Тиристоры IGBT Тиристоры IGBT
Тип охлаждения Водяное Принудительное воздушное Водяное Принудительное воздушное
Выходное напряжение, В 2,4…24 0…12 0…12 1…12
Выходной ток, А 80…800 0…800 160…1600 15…1500
КПД, не менее, % 78 87 78 88
Коэффициент мощности, не менее 0,85 Нет данных 0,85 0,86
Коэффициент пульсаций, % Нет данных 2% Нет данных 1
Степень защиты Нет данных IP32 Нет данных IP54
Размеры, мм 1000x600x1740 470х410х450 1000x600x1740 720х510х670
Масса, кг 440 41,5 470 120

Обслуживание выпрямителей на IGBT сложнее, чем тиристорных. Но относительно малая масса выпрямителя позволяет организовать его доставку в сервисный центр.

Тиристор в цепи постоянного напряжения

При условии питания схемы постоянным напряжением, тиристор эффективен в качестве переключателя мощной нагрузки. Здесь прибор действует подобно электронной защелке, поскольку после активации остается в состоянии «включено», вплоть до сброса этого состояния вручную. Рассмотрим практическую схему.

Схема 1: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — нагрузка в виде лампы накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Эта простая схема включения/выключения применяется для управления лампой накаливания. Между тем схему вполне допустимо использовать в качестве коммутатора электродвигателя, нагревателя и любой другой нагрузки, рассчитанной на питание постоянным напряжением.

Здесь тиристор имеет прямое смещённое состояние перехода и включается в режим короткого замыкания нормально разомкнутой кнопкой КН1. Эта кнопка соединяет управляющий электрод У с источником питания через резистор R1. Если значение R1 установить слишком высоким относительно питающего напряжения, устройство не сработает.

Стоит только активировать (нажать) кнопку КН1, тиристор переключается в состояние прямого проводника и остаётся в этом состоянии независимо от дальнейшего положения кнопки КН1. При этом токовая составляющая нагрузки показывает большее значение, чем ток фиксации тиристора.

Преимущества и недостатки использования тиристора

Одним из основных преимуществ использования этих полупроводников в качестве переключателя видится очень высокий коэффициент усиления по току. Тиристор — это устройство, фактически управляемое током.

Катодный резистор R2 обычно включается с целью уменьшения чувствительности электрода У и увеличения возможностей соотношения напряжение-ток, что предотвращает ложное срабатывание устройства.

Когда тиристор защелкнется и останется в состоянии «включено», сбросить это состояние возможно только прерыванием питания или уменьшения анодного тока до нижнего значения удержания. Поэтому логично использовать нормально замкнутую кнопку КН2, чтобы разомкнуть цепь, уменьшая до нуля ток, протекающий через тиристор, заставляя прибор перейти в состояние «выключено».

Однако схема имеет также недостаток. Механический нормально замкнутый переключатель КН2 должен быть достаточно мощным — соответствовать мощности всей схемы. В принципе, можно было бы просто заменить полупроводник мощным механическим выключателем. Один из способов преодолеть проблему с мощностью — подключить коммутатор параллельно тиристору.

Схема 2: КН1, КН2 — кнопки нажимные без фиксации; Л1 — лампа накаливания 100 Вт; R1, R2 — резисторы постоянные 470 Ом и 1 кОм

Доработка схемы — включение нормально разомкнутого переключателя малой мощности параллельно переходу А-К, даёт следующий эффект:

  • активация КН2 создаёт «КЗ» между электродами А и К,
  • уменьшается ток фиксации до минимального значения,
  • устройство переходит в состояние «выключено».

Тиристорные выпрямители

Рис. 1. Тиристорный выпрямитель, выполненный по прямой схеме

На рисунке 1 показана схема несложного трехфазного тиристорного выпрямителя. Аббревиатура СИФУ на схеме означает «Система импульсно-фазового управления». Эта система осуществляет регулировку и стабилизацию напряжения. Данный выпрямитель построен по так называемой прямой схеме, не предусматривающей преобразования частоты переменного тока. Принцип работы тиристорных выпрямителей, построенных по такой схеме, основан на срезании части синусоиды в промежутках между определенными значениями фазы (углами отсечки). В результате на выход выпрямителя поступает лишь часть электроэнергии.

График выходного напряжения для тиристорного выпрямителя показан на рисунке 2. Проблема тиристорных выпрямителей для гальваники (как, впрочем, и в случае диодных выпрямителей, применявшихся ранее) заключается в том, что на выходе наблюдаются значительные пульсации напряжения, не менее 14%. Сгладить пульсации на выходе с помощью дросселя практически невозможно, поскольку в гальванике используются очень малые напряжения и высокие значения силы тока. При малой частоте пульсаций (300 Гц при питании от трехфазной сети с частотой 50 Гц) потребуется дроссель с большим количеством витков, а значит – и большим сопротивлением по постоянному току, что неприемлемо. На выходе тиристорных выпрямителей ставят только высокочастотные дроссели с небольшим количеством витков, подавляющие помехи, создаваемые другими устройствами.

Рис. 2. Напряжение на выходе выпрямителя (синий цвет) и ток на входе по одной из фаз тиристорного выпрямителя (зеленый цвет) без корректора мощности

Обратите внимание на форму потребляемого тока: она далека от синусоиды. Для получения приемлемого коэффициента мощности в выпрямителях, построенных по прямой схеме, используются громоздкие корректоры

Недостатком тиристоров является их инерционность. При подаче управляющего импульса проводящая зона сначала образуется вблизи границы управляющего электрода и уже потом распространяется по площади структуры со скоростью 0,03…0,1 мм/с. За время коммутации происходит нагрев тиристора. При нагреве кристалла тиристора свыше 70°C возможно его самопроизвольное срабатывание без управляющего импульса. Поэтому тиристоры требуют эффективного теплоотвода. Из-за сложных охлаждающих систем тиристорные выпрямители для гальваники представляют собой, как правило, громоздкие устройства, выполненные в виде напольных шкафов (рисунок 3).

Рис. 3. Размещение тиристорных выпрямители для гальваники в шкафах

В то же время тиристорные выпрямители для гальваники имеют и некоторые преимущества. Технология давно и хорошо отработана, поэтому сервисное обслуживание таких устройств может осуществляться на месте любым специалистом, умеющим чинить блоки питания для промышленных применений.

Схема 3-фазного частотника

Преобразователи напряжения импульсные

Тиристорные трехфазные преобразователи частоты используются для управления мощной нагрузкой и находят применение там, где нет возможности включения оборудования на IGBT транзисторах.

Различают два класса устройств по принципу коммутации управляющих элементов:

  • С одноступенчатой коммутацией;
  • Двухступенчатые.

Одноступенчатые устройства отличаются простой схемотехникой, но не обладают возможностью регулировки выходного напряжения, поскольку управление производится всеми тиристорами одновременно. Регулирование напряжения идет путем установки в цепи постоянного питающего напряжения через установку регулируемого выпрямителя.

В свою очередь, двухступенчатые преобразователи делятся на схемы:

  • С групповой коммутацией;
  • С пофазной коммутацией;
  • С индивидуальным управлением.

Данные устройства сложнее не только схемой управления, но и силовой частью, поскольку в них присутствует две группы тиристоров: анодные и катодные.

Пофазная коммутация

Управление осуществляется раздельно по каждой фазе преобразования путем отключения анодного или катодного тиристора.

Индивидуальная коммутация

Здесь управление производится каждым тиристором преобразователя раздельно. За счет индивидуального управления можно реализовывать большое число алгоритмов преобразования, снижать до минимума искажения формы сигнала и уровень электромагнитных помех.

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.