Краткие теоретические сведения. Выпрямителем называют устройство, преобразующее переменный ток в постоянный

Выпрямителем называют устройство, преобразующее переменный ток в постоянный.

Во многих случаях использования выпрямителя приходится решать задачу управления средним значением выпрямленного напряжения на нагрузке (приёмнике электрической энергии). На практике часто возникает необходимость регулирования мощности осветительной нагрузки, нагревательных устройств, мощности и частоты вращения электродвигателей.

Для этих целей применяют управляемые полупроводниковые выпрямители (УВ), в которых используются управляемые полупроводниковые устройства – тиристоры. Момент отпирания тиристоров можно регулировать, что позволяет изменять среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (приёмнике электрической энергии).

Тиристор – полупроводниковый кремниевый четырёхслойный прибор с односторонней проводимостью, обладающей двумя устойчивыми состояниями – низкой и высокой проводимостями.

Существуют две основные модификации тиристоров –двухэлектродный диодный тиристор (динистор) и трехэлектродный триодный тиристор (тринистор).

Третий электрод трехэлектродного тиристора, с помощью которого тиристор приводят в состояния низкой или высокой проводимости называют управляющим электродом (УЭ).

На рис. 1 представлены условное изображение на схемах и ВАХ (вольтамперная характеристика) тринистора.

Рисунок 15.1 – Тринистор:

а – условное изображение; б – вольтампераня характеристика

При прямом включении анодного напряжения («+» к аноду А и «–» ккатоду К) и управляющем токе, равном нулю (), тринистор отпирается, если выполняется условие . Это соответствует ВАХ диодного (без управляющего электрода) тиристора – динистора.

Из ВАХ видно, что напряжение включения тринистора зависит от величины тока управления. Различным значениям тока управления будут соответствовать конкретные уровни напряжений включения ( – , – и т.д.).

Поэтому при условии момент включения тринистора можно регулировать подачей соответствующего значения тока управления в нужный момент времени.

Для запирания тиристора необходимо осуществить обратное включение анодного напряжения («-» к аноду, «+» к катоду).

Существуют две основные схемы однофазного выпрямления –мостовая и с нулевым выводом.

На рис. 15.2 приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом.

На рис.15.3 изображены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия однофазного управляемого выпрямителя.

На интервале 0-t₁ тиристоры VT1 и VT2 закрыты, напряжение на выходе (нагрузке) равно нулю (U_d = 0). К тиристорам VT1 и VT2 приложены уровни напряжений U_2-1, U_2-2, равные половине уровня напряжения вторичной обмотки трансформатора Т. Причем U_2-1 действует в прямом направлении на VT1, а уровень U_2-2 – на VT2 в обратном.

В момент времени t₁, определяемый углом включения α, от схемы управления (СУ) выпрямителем поступает импульс на управляющий электрод тиристора VT1. Тиристор VT1 отпирается и подключает нагрузку (R_H) к трансформатору с уровнем напряжения U_2-1.

При переходе мгновенного значения напряжения U₁, a следовательно, и U_2-1 = U_2-2 через нулевое значение (момент времени t₂) тиристор VT1 запирается. Напряжение на нагрузке U_d и ток i_α становятся равными нулю.

На интервале времени t₂ - t₃ тиристоры VT1 и VT2 закрыты.Уровень напряжения на выходе (нагрузке) равен нулю (U_d = 0).

Рисунок 15.2 –Электрическая схема управляемогоусилителя с нулевым выводом

Рисунок 15.3– Временные диаграммы управляемого усилителя

Полярность напряжения на трансформаторе Т изменилась на противоположную, тиристор VT2 попадает под напряжение U_2-2, а тиристор VT1 - под обратное напряжение U_2-1.

В момент времени t₃ подается отпирающий импульс на тиристор VT2, который откроется, и по цепи «+» - VT2 - R_H –«0» потечет ток i_α, к нагрузке будет прапожено напряжение U₂.₂ вторичной обмотки трансформатора Т.

В момент времени t₄ мгновенное значение напряжения U₁ будет равно нулю (U_2-1 = U_2-2= 0), тиристор VT2 запирается, после чего процесс в схеме управляемого выпрямителя повторяется.

Изменяя угол α тиристора можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения U_d.

При угле включения, равном нулю (α = 0), выпрямитель работает как неуправляемый, В этом случае среднее значение выпрямленного напряжения U_d максимально и равно 0,9 U₂

При α = 0 среднее значение выпрямленного напряжения определяют по формуле

.

где – действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора Т.

Углу управления α = π (180 электрических градусов) соответствует среднее значение выпрямленного напряжения .

При изменении угла управления α от нуля до 180 электрических градусов среднее значение выпрямленного напряжения изменяется в соответствии с выражением

.

Зависимость при неизменной нагрузке называется регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя.

Примерный вид регулировочной характеристики управляемого выпрямителя изображен на рис.15.3 а.

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки ( при неизменном значении угла управления называют внешней характеристикой управляемого выпрямителя (рис. 15.4 б). Наклон внешней характеристики обусловлен падением напряжения на элементах выпрямителя при протекании в контуре тока , а также падением напряжения на внутреннем сопротивлении вторичной обмотки трансформатора (рис 4).

Рисунок 15.4– Характеристики управляемого выпрямителя:

а – регулировочная; б – внешняя