Тема 3. Управляемые силовые полупроводниковые преобразователи Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители позволяют преобразовать переменный ток в постоянный и плавно изменять выпрямленное напряжение от нуля до номинального значения.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока и в системах возбуждения синхронных двигателей основной элементной базой при построении управляемых выпрямителей являются тиристоры.

Тиристоры — не полностью управляемые полупроводниковые приборы, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия: открытым (проводящим ток) и закрытым (не проводящим тока). Тиристор (рис. 6, а), имеющий три электрода (анодный вывод А, катодный К и управляющий электрод У), начинает проводить ток в том случае, если к анодному выводу (по отношению к катодному выводу) приложен положительный потенциал и одновременно к управляющему электроду подается положительный управляющий сигнал. При приложении к анодному выводу положительного потенциала сопротивление тиристора будет зависеть от управляющего тока. При отсутствии управляющего сигнала (1у = 0) сопротивление тиристора велико. При появлении управляющего тока (1у = 1ун) тиристор перейдет в открытое состояние и проводимость его будет высокой.

Тиристор отличается от транзистора тем, что ток управления только открывает, но не закрывает его. Закрывается тиристор при приложении к анодному выводу отрицательного напряжения.

Для управления тиристором используют систему импульсно-фазного управления (СИФУ), которая формирует управляющий импульс нужной формы и мощности, а также осуществляет сдвиг по фазе импульса относительно напряжения сети.

Рис. 6. Однополупериодная управляемая схема выпрямления (а). Графики напряжения на нагрузке (б), управляющих импульсов (в), тока нагрузки (г), напряжения анод-катод U_AK (д)

Рассмотрим работу тиристора, подключенного к однофазной сети на активную нагрузку (см. рис. 6,а). Предположим, что управляющий импульс в интервале ωt₀ — ωt₁ отсутствует (I_у = 0). В этом случае тиристор обладает большим сопротивлением в прямом направлении и ток через нагрузку R_н практически не проходит (рис. 6,г).

После подачи управляющего импульса при номинальном токе управления (I_у = I_ун) тиристор открывается (рис. 6), т.е. его сопротивление в прямом направлении снижается. Под действием напряжения сети U_с через нагрузку R_н проходит ток i_н (рис. 6, г), который зависит от напряжения сети и сопротивления резистора (интервал ωt₁ — ωt₂). При отрицательном напряжении на анодном выводе (интервал ωt₂ — ωt₃) тиристор обладает высоким сопротивлением и ток через него не проходит. В этом случае к тиристору прикладывается обратное напряжение (рис. 6,д). На рис. 6 приняты обозначения; U_н, — напряжение на нагрузке; U_AK — напряжение анод-катод тиристора; U_УК — управляющее напряжение между управляющим электродом и катодом.

Для изменения среднего значения выпрямленного напряжения U_d необходимо сдвинуть по фазе управляющий импульс. Так, для уменьшения выпрямленного напряжения необходимо управляющий импульс подавать с отставанием на угол α_к = ωt_к,, по отношению к точке естественной коммутации тиристора (см. рис. 6,в). Сдвиг по фазе между точкой естественной коммутации тиристора и моментом подачи управляющего импульса называется углом регулирования α.

В электроприводах находят применение также сдвоенные тиристоры, называемые симмисторами, которые обладают свойствами встречно-параллельно соединенных тиристоров, но имеют лишь один управляющий электрод.

В трехфазной мостовой схеме, в которой вместо диодов включены тиристоры (рис. 7, а), управляющие импульсы — U_у, поступающие от СИФУ, должны быть соответствующим образом сфазированы с напряжением трансформатора (сети), т.е. подаваться в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительной базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в, г, д, е (рис. 7,б) естественного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подавать на тиристоры в базовых точках, то получим наибольшее выпрямленное напряжение U_d0. При подаче управляющих импульсов с отставанием по отношению к точке естественного отпирания на угол α (см. рис. 7,б) тиристоры открываются позже, а среднее выпрямленное напряжение U_dср будет меньше, чем наибольшее выпрямленное U_d0. Среднее выпрямленное напряжение ТП определяется по формуле

U_dср = U₀·cosα,

где α — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы тиристоров, а ток в любой момент протекает минимум через два тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы (см. рис. 7, б), сдвинутые относительно друг друга на 60 электрических градусов. В э том случае имеет место одновременная подача импульсов в тиристоры двух различных групп (V1 и V6, V1 и V2, V3 и V2 и т.д.). Наличие двух групп тиристоров обеспечивает шестифазное выпрямление (кривая U_d рис. 7, б).

Рис. 7. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя (а). Графики напряжений (б)