Теоретическая часть. В современных электронных устройствах преобразования электрической энергии широкое применение в качестве основных силовых управляемых элементов получили

В современных электронных устройствах преобразования электрической энергии широкое применение в качестве основных силовых управляемых элементов получили тиристоры, обладающие высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. На основе тиристоров разработаны экономичные, надежные, малогабаритные, управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других приборах, где требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

Тиристором называют полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой р-n-р-n, имеющий два устойчивых электрических состояния – закрытое или открытое (выключенное или включенное). Переход из закрытого состояния в открытое, т. е. включение тиристора, осуществляется по цепи управления с помощью маломощного электрического сигнала управления.

Тиристор имеет три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Силовой цепью тиристора, по которой проходит коммутируемый ток, является участок цепи анод (А) – катод (К). Включение тиристора возможно только при положительном токе управления I_У > 0, проходящем по цепи управления УЭ – К, при положительном напряжении между анодом и катодом U_AК > 0. Закрытое состояние тиристора характеризуется большим значением сопротивления между анодом и катодом, а открытое состояние – малым сопротивлением между анодом и катодом.

Тиристоры, предназначенные не только для включения, но и для выключения их по управляющему электроду, получили название полностью управляемых. Однако из-за их малой мощности они не имеют широкого распространения и применяются в основном в устройствах автоматики.

Свойства тиристора как элемента простейшей электрической цепи (рис. 2.1, а) иллюстрируются его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая при указанных положительных направлениях токов и напряжении представлена на рис. 2.1, б.

 

а б

Рис. 2.1. Схемы включения (а) и вольтамперные характеристики тиристора (б)

 

Обратное напряжение тиристора не должно превышать значение U_ОБРmax, которое указывается в справочниках, а прямое анодное напряжение не должно превышать напряжения переключения U_ПЕР (точка А). Если по цепи управляющего электрода протекает ток, то тиристор включается и ток в силовой цепи тиристора ограничивается сопротивлением нагрузки R_H (рис. 2.1, а). При большей величине тока управляющего электрода включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения.

После включения электрическое состояние тиристора характери­зуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Только если анодный ток становится меньше некоторого значения, называемого током удержания I_УД (точка В), то тиристор выключается. При токе управляющего электрода, называемого током спрямления I_УСПР, ВАХ тиристора становится аналогичной ВАХ обычного диода (участок ОВС).

Для включения тиристоров достаточен ток управляющего электрода в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов. Выключение тиристора произойдет, если каким-либо образом уменьшить анодный ток до значения меньшего, чем значение тока удержания I_УД. Существуют различные схемы выключения тиристоров, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так, при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим естественной коммутации). В цепях постоянного тока для запирания тиристора вводят специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня меньшего, чем ток удержания, что чаще всего осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор.

Диапазон прямых токов тиристоров составляет от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер, а диапазон напряжений – от нескольких вольт до нескольких киловольт. К справочным параметрам тиристоров относятся предельно допустимое значение тока в импульсе и максимальный допустимый средний ток тиристора. Параметром по напряжению тиристоров является максимально допустимое прямое напряжение (U_ПРmax) при отсутствии тока управляющего электрода. Динамические параметры тиристора оценивают по времени включения t_ВКЛ, т. е. перехода тиристора из закрытого состояния в открытое, и времени выключения t_ВЫКЛ. Величины t_ВКЛ и t_ВЫКЛ определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время t_ВКЛ составляет менее 1 мкс, а время t_ВЫКЛ – от 3 до 250 мкс.

В настоящей работе исследуется управляемый двухполупериодный выпрямитель однофазного напряжения (рис. 2.2). Он содержит тиристоры VS1 и VS2 и блок управления, формирующий импульсы управления i_У1 и i_У2, синхронизированные с переменным напряжением U₁. Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H. Задержка включения тиристоров устанавливается с помощью резистора R_α.

Рис. 2.2. Управляемый двухполупериодный выпрямитель
однофазного напряжения

 

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы (рис. 2.3).

В интервале времени от 0 до π напряжение U₁ положительно. Поскольку в цепи управления тиристора VS1 появляется ток i_У1 > 0, который включает тиристор, и через него начинает протекать ток нагрузки.
При этом тиристор VS2 будет выключен, так как к нему приложено обратное анодное напряжение.

Рис. 2.3. Временные диаграммы управляемого выпрямителя

 

В интервале времени от πдо 2π напряжение U₁ отрицательно, поэтому тиристор VS1 будет выключен приложением обратного анодного напряжения, а тиристор VS2 включится током цепи управления i_У2 > 0. Далее процессы будут периодически повторяться.

Моменты включения тиристоров оценивают углами включения α₁ и α₂, которые, как правило, одинаковы (α₁ = α₂ = α;) и отсчитываются от момента появления на соответствующем тиристоре прямого анодного напряжения. Таким образом, ток управления представляет собой последовательность импульсов, частота которых равна частоте выпрямляемого напряжения. С изменением угла включения α; изменяется среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U_d, которое выражается формулой

(2.1)

Умножив числитель и знаменатель на 2, формулу можно переписать в следующем виде:

(2.2)

где U_d0 – значение U_d при α; = 0.

Эту зависимость принято называть регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя U_d = f (α;), по которой можно определить диапазон изменения выпрямлен­ного напряжения. Как видно из формулы (2.2), в случае работы выпрямителя на чисто активную нагрузку предельным углом управления α;, при котором выпрямлен­ное напряжение равняется нулю, будет угол α_m = 180°. Величина угла включения тиристоров α; изменяется с помощью сопротивления R_α (рис. 2.2).

Свойства выпрямительного устройства оценивают также по его внеш­ней характеристике, которая для управляемого выпрямителя представляет собой зависимость U_d = f (I_d) при фиксированном значении угла α;.