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.
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.
ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ И ШИРОТНОИМПУЛЬСНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ, СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
Общие сведения о импульсных регуляторах
Импульсные устройства и преобразователи находят все большее применение на железнодорожном транспорте в связи с появлением тиристоров и систем управления ими. В качестве импульсных регуляторов наибольшее распространение получили широтно-импульсные регуляторы (ШИР) и частотно-импульсные регуляторы (ЧИР).
Потребность в регулировании напряжения при питании от сети постоянного тока (системы электроснабжения пассажирских вагонов) приводит к применению неэкономичных способов, основанных на включении в силовые цепи токоограничивающих резисторов или делителей напряжения.
Например, при пуске и разгоне электрических двигателей по мере увеличения частоты вращения (и, соответственно, противо- ЭДС двигателей) пусковые резисторы, включаемые последовательно в цепь якоря, с помощью ступенчатого переключения обеспечивают ограничение среднего значения тока.
Однако резисторное регулирование приводит при частых пусках к дополнительным потерям электроэнергии (до 20—30 % общего потребления). Кроме того, регулирование пусковых резисторов сопровождается всплесками тока во время переключения ступеней, а для переключения резисторов требуются сложные контактные коммутаторы.
Тиристорная техника позволяет применить новый, более экономичный надежный и эффективный импульсный способ регулирования в цепях постоянного тока. Принцип импульсного регулирования заключается в том, что источник постоянного тока периодически подключается к нагрузке с некоторой частотой. Задание длительности периодического интервала подключения позволяет плавно изменять (регулировать) среднее значение напряжения, прикладываемое к нагрузке. В результате этого в цепи нагрузки обеспечивается непрерывное протекание тока с допустимой пульсацией. Это достигается благодаря индуктивности самой нагрузки или включению дополнительного дросселя и высокой частоте переключения (коммутации).
Среднее напряжение на нагрузке будет определяться выражением
где Uu — напряжение источника питании; —длительность импульса; Т — период повторяемости импульсов.
Из выражения видно, что напряжение UH можно плавно регулировать, если изменять /и при Т= const или Т при /и = const, а также в результате одновременного изменения /и и Т. Этому соответствует широтный, частотный и комбинированный способы импульсного регулирования.
Широтно-импульсные преобразователи (ШИП) постоянного напряжения применяются для регулирования значения среднего напряжения на нагрузке. С помощью ШИП изменяется время длительности выходных импульсов /и при постоянной величине паузы tn между импульсами (рис. 4.1, а).
Частотно-импульсные преобразователи (ЧИП) применяются для регулирования напряжения безреостатным способом. При этом изменяется время паузы между импульсами /п при постоянной величине времени импульсов /и (рис. 4.1, б).
Преобразователь ШИП отличается от преобразователя ЧИП видом зависимости изменения тока нагрузки /н (см. рис. 4.1). Основными преимуществами преобразователей с ШИП являются высокий КПД, небольшие габариты и масса, широкий диапазон выходных мощностей. Отличием работы преобразователей с ЧИП является и то, что напряжение растет с нуля и до максимального значения в зависимости от собственной частоты колебательного контура, включенного в цепь.
В импульсных преобразователях в качестве коммутирующих элементов, в зависимости от значения выходной мощности, применя-
Рис. 4.1. Диаграммы импульсов при широтно-импульсной (а) и частотно-импульсной (б) модуляциях:
/и — длительность импульсов; /п — продолжительность паузы; Т — период следования импульсов
ются силовые транзисторы или тиристоры. Работа ключей рассматривалась в главе 1.
Принципы работы схем импульсного регулирования. Схема импульсного регулятора (рис. 4.2, а) состоит из источника постоянного напряжения (на рис. не показан), однооперационного тиристора VS, схемы управления тиристором СУ, схемы принудительной коммутации СК для выключения тиристора, диода обратного тока VD0 для пропуска тока грузки во время паузы, цепи нагрузки R, последовательно с которой включен сглаживающий дроссель L.
Тиристор VS включается периодически от подачи сигнала из схемы управления СУ. На интервале включенного состояния тиристора ток в цепи нагрузки RL апериодически увеличивается. В конце интервала проводимости происходит принудительное выключение тиристора с помощью специальной коммутационной схемы СК, которая обесточивает тиристор на время рассасывания накопленного заряда в его полупроводниковой структуре. Во время выключенного состояния тиристора в цепи нагрузки ток апериодически снижается. Ток поддерживается благодаря наличию ЭДС самоиндукции дросселя. Контур тока замыкается через диод VD0. На этом интер-
Рис. 4.2. Схема импульсного регулятора (а) и временные диаграммы (б)
вале тиристор принимает на себя напряжение источника питания. В цепи нагрузки протекает пульсирующий ток, величина пульсации которого зависит от индуктивности L и частоты переключения тиристора (/= 1/7).
Существует множество схем импульсных регуляторов постоянного тока на однооперационных тиристорах. Это многообразие связано с использованием различных схемных способов принудительного конденсаторного выключения тиристоров. Схемы классифицируются по следующим признакам: способу запирания тиристоров (обратным напряжением, обратным током), виду коммутации (одноступенчатая, двухступенчатая), схеме включения коммутирующей ЭДС (параллельная, последовательная), структуре цепей заряда и разряда коммутирующего конденсатора (зависимая, независимая).
В простейших схемах с одноступенчатой коммутацией для запирания тиристоров используются постоянно включенные колебательные цепи (рис. 4.3, а). При включении тиристора VS в ЬкСк-конту- ре возникает колебательный процесс. Через некоторое время ток в тиристоре «вытесняется» встречным током колебательного контура
Рис. 4.3. Схемы импульсных регуляторов с одноступенчатой (а) и двухступенчатой (б) коммутацией и становится равным нулю. Тиристор запирается обратным напряжением от коммутирующего конденсатора. Для изменения среднего значения напряжения на нагрузке в этих схемах может быть применен лишь частотно-импульсный способ, что заметно ограничивает регулировочные свойства, поэтому в подавляющем большинстве случаев в современных тиристорных импульсных регуляторах используются схемы с двухступенчатой коммутацией.
В схемах с двухступенчатой коммутацией (рис. 4.3, б) коммутирующие цепи присоединяются к цепи силового (главного) тиристора VS1 с помощью вспомогательных (коммутирующих) тиристоров VS2 в определенные моменты времени и ток главного тиристора на короткий интервал времени проходит через коммутирующий тиристор. При этом запирание главного тиристора может осуществляться обратным напряжением (жесткая коммутация) или импульсом обратного тока (мягкая коммутация). Схемы работы этих схем рассматривались выше.
Изучить материал. Кратко законспектировать, ответить на вопросы
. Электровозы и электропоезда. Калинин В.К., -М., Транспорт 1991 г. Стр. 203-205
Электрические машины и преобразователи подвижного состава. Грищенко А.В., -М., 2005 г. Стр.150-159
выполненные задания, вопросы отправляем в комментариях или личные сообщения преподавателю или на электронную почту колледжа dktidistanc@mail.ru