Силовые устройства на основе тиристоров и мощных транзисторов

Управляемые выпрямители

К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях, токи в которых измеряются десятками, сотнями и даже тысячами ампер, а величины напряжения — сотнями и тысячами вольт. Такие устройства чаще всего выполняются на основе тиристоров, которые, по существу, являются мощными управляемыми ключами.

В отличие от ключей на полевых транзисторах, тиристорный ключ пропускает ток только в прямом направлении, как и обычный выпрямительный диод, но для этого он должен быть открыт подачей импульса напряжения на управляющий электрод.

Тиристоры используются как для преобразования переменного напряжения в постоянное, так и наоборот. К первым относят управляемые выпрямители, ко вторым — инверторы. Управляемые выпрямители на основе тиристоров позволяют изменять постоянную составляющую напряжения U0 от нуля до максимального значения, определяемого формулами для диодных выпрямителей, при неизменном напряжении сети переменного тока. Для этого в схемах рис. 2.28 и 2.29 выпрямительные диоды заменяют тиристорами (см. параграф 1.5).

Рассмотрим принцип работы таких схем на примере однонолупериодного выпрямителя (см. рис. 2.28, а).

К синусоидальному напряжению сети Uc с амплитудой Umax подключены нагрузка R и тиристор VS (рис. 2.33, а). Тиристор открывается в момент времени, определяемый подачей на управляющий электрод импульса напряжения от схемы управления (если полупериод соответствует ?, то этот момент времени соответствует углу а). В результате в течение интервала ?-? к нагрузке подводится напряжение, заштрихованное на рис. 2.33, б, и по ней протекает ток.

В момент времени? t =? ток уменьшается до нуля и тиристор запирается. Этот процесс повторяется каждый положительный полупериод (в отрицательные полупериоды тиристор заперт напряжением сети).

Структурная схема управления однополупериодного тиристорного выпрямителя показана на рис. 2.33, в, а графики, поясняющие работу выпрямителя, — на рис. 2.33, г. Напряжение сети поступает на синхронизирующее устройство (СУ), которое в моменты перехода напряжения через нуль осуществляет запуск ГПН. Таким образом, в начале каждого полупериода напряжения сети Uc ГПН формирует линейно нарастающее опорное напряжение Uоп. Это напряжение поступает на один из входов схемы сравнения СС, выполняемой на основе компаратора. На другой вход СС поступает управляющее напряжение Uy постоянного тока. В течение времени, пока напряжение Uon меньше напряжения Uy, на выходе СС низкий уровень напряжения Ucc, когда же напряжение Uоп больше напряжения Uу, на выходе СС высокий уровень напряжения UСС. По переднему фронту импульса Ucc формирователь импульсов (ФИ) формирует импульсы напряжения ПФИ, которые подаются на УЭ тиристора и открывают его.

Рис. 2.33. Однополупериодный тиристорный выпрямитель:

а — схема подключения; б — принцип работы; в — структурная схема; г — графики, поясняющие работу выпрямителя Изменяя Uy, обеспечивают изменение угла а, т. е. момента открытия тиристора, и, таким образом, изменение времени, в течение которого через нагрузку течет ток. В результате изменяется и постоянная составляющая напряжения U0, равная среднему за период напряжению на нагрузке:

Напряжение U0 увеличивается вдвое при использовании двухполупериодного (см. рис. 2.28, 6) управляемого выпрямителя. Так как ток нагрузки в один полупериод протекает через диоды VD1, VD3, а в другой — через VD2, VD4, для управления током в каждом полупериоде достаточно одного тиристора. Таким образом, управляемый выпрямитель можно построить на основе мостовой схемы, заменив два диода, например VD1 и VD2, на тиристоры.

Аналогично получают и трехфазные управляемые выпрямители, заменяя в схемах (см. рис. 2.29, а и в) диоды на тиристоры.

Такие управляемые выпрямители используют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока в электроприводах металлорежущих станков и транспортных средств.