Применение тиристоров. Управляемый выпрямитель

Если в схеме выпрямителя заменить диоды на тиристоры, можно получить схему управляемого выпрямителя, выпрямленное напряжение на выходе которого можно регулировать, изменяя угол управления тиристором. В главе 3 рассмотрены схемы однофазных выпрямителей на диодах. Любую из этих схем можно превратить в управляемый выпрямитель. Чтобы выяснить, как влияет на характеристики выпрямителя применение тиристоров вместо диодов, рассмотрим однофазный однополупериодный выпрямитель на тиристоре (рис. 15.4). Схема управления тиристором СУ применена такая же, как на рис. 15.3. Для анализа физических процессов в регулируемом однофазном однополупериодном выпрямителе рассмотрим его временную диаграмму работы (рис. 15.5).

Рис. 15.4. Регулируемый однофазный однополупериодный выпрямитель

На втором графике временной диаграммы изображены импульсы управления тиристором с различным углом управления a, который отсчитывается от момента перехода синусоиды напряжения U₂ через ось времени.

При a = 0 тиристор открывается при минимальном напряжении на аноде (практически как диод), поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение времени, равном длительности положительной полуволны синусоиды.

При a = 45⁰ тиристор открывается с задержкой на ¼ длительности полуволны синусоиды, поэтому ток из трансформатора в нагрузку поступает в течение ¾ длительности полуволны синусоиды.

При a = 90⁰ тиристор открывается с задержкой на ½ длительности полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку поступает также в течение ½ длительности полуволны синусоиды.

При a = 180⁰ тиристор закрыт всё время действия положительной полуволны синусоиды, и ток из трансформатора в нагрузку не поступает.

Следовательно, с увеличением a действующее напряжение в нагрузке будет уменьшаться. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от угла регулирования U_d = f(a) называется регулировочной характеристикой. Она описывается выражением

, (15.1)

где U_{d0(a = 0)} – напряжение холостого хода выпрямителя при a = 0 (как если бы в схеме выпрямителя применялись диоды). В данной схеме U_{d0(a = 0)} = 0,45×U₂.

Рис. 15.5. Временная диаграмма управляемого однофазного однополупериодного выпрямителя

На пятом графике временной диаграммы изображено напряжение, действующее на тиристор. При a = 0 к тиристору приложено только обратное напряжение U_b.max, которое достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и зависит от схемы выпрямителя (см. лекцию 3). Для рассматриваемого выпрямителя

. (15.2)

При a > 0 к тиристору, кроме обратного напряжения U_b.max, прикладывается прямое напряжение U_a,, которое можно определить по формуле

. (15.3)

Максимальной амплитуды U_a.max = U_2m прямое напряжение достигает при a = 90⁰. Для нормальной работы схемы должно выполняться условие U_a.max < U_вкл, чтобы тиристор не смог самопроизвольно (без подачи импульса управления) открыться.

При поступлении на тиристор отрицательной полуволны синусоиды он автоматически закрывается, и остаётся закрытым до поступления очередного импульса управления.

Рассмотрим теперь энергетические характеристики управляемого выпрямителя. Расчетные мощности обмоток S1, S2 и типовую мощность трансформатора S_T определяют при a = 0, исходя из параметров неуправляемого режима.

В связи с тем, что при изменении угла регулирования a происходит сдвиг во времени первой гармоники потребляемого из сети тока i₁₍₁₎ относительно питающего напряжения, управляемый выпрямитель потребляет из сети реактивную мощность даже при чисто активной нагрузке. Угол сдвига первой гармоники тока питающей сети i₁₍₁₎ относительно питающего напряжения

, (15.4)

где - амплитуда косинусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i₁;

- амплитуда синусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i₁.

Действующее значение первой гармоники тока в первичной обмотке трансформатора

. (15.5)

Коэффициент искажения формы тока

. (15.6)

Коэффициент мощности выпрямителя

, (15.7)

то есть с ростом угла регулирования коэффициент мощности снижается.

Управляемые выпрямители можно выполнить и по двухполупериодной, и по мостовой схемам. В этих схемах выходное напряжение в зависимости от a также определяется выражением (15.1), только U_{d0(a = 0)} = 0,9×U₂.