12.5. Керовані випрямлячі змінного струму

Керовані випрямлячі це випрямлячі змінного струму з регульованою напругою випрямленого струму. Замість діодів у керованих випрямлячах використовуються тиристори – напівпровідникові прилади з трьома елек–тродами: анодом А, катодом К, електродом керування ЕК (див. рис. 2.2). Тиристори вмикаються при наявності напруги U_ЕК, тобто мають властивість “ключа”.

На рис. 12.11 показано принципову схему однопівперіодного керова–ного випрямляча змінного струму і графіки режимів його роботи. При відсутності U_ЕК, коли тиристор VS запертий, випрямлення струму не відбувається. На графіку рис. 12.11, б показано випадок, коли в момент через чверть періоду від часу t = 0, на електроді керування з'являється напруга U_ЕК і починається процес випрямлення змінного струму. Заштрихована частина синусоїди (її площа) пропорційна величині випрямленої напруги U_d. На графіку рис. 12.11, в показано випадок випрямлення при наявності на електроді керування напруги U_ЕК від самого початку півперіода напруги U2. Заштрихована частина синусоїди буде відповідати величині напруги випрямленого струму. У цьому випадку випрямлена напруга, як і в однопівперіодному некерованому випрямлячі, має значення U_d = 0,45U2_.

У керованих випрямлячах використовуються так звані одноопераційні тиристори, які дозволяють замикати коло, але не здатні його розімкнути при знятті напруги U_ЕК на електроді керування. Однак такі тиристори при U_ЕК = 0 розмикають коло змінного струму, коли синусоїда напруги проходить нульову точку (при активному навантаженні). Ця обставина дозволяє використовувати економічний і точний імпульсно-фазовий спосіб керування тиристором.

На рис. 12.12 показано часові діаграми, які пояснюють принцип імпульс-ного способу керування одноопераційними тирис-торами. За основний пара-метр керування випрямля-чами прийнято так званий кут відкривання α, або час затримки t_З імпульсу керу-вавння U_ЕК. У даному випадку керуючі сигнали зв'язані в часі з позитивним півперіодом синусоїди струму.

Випрямляч однофазний керований двопівперіодний

На рис. 12.13 показано принципову схему керованого однофазного двопівперіодного випрям-ляча. На відміну від некерованого випрямляча замість діодів використо-вуються тиристори VS1, VS2. Імпульси керування для VS1 – U_{к VS1} зв'язані в часі з позитивним півперіодом синусоїди відносно середнього відводу вторинної обмотки трансформатора Т. Відповідно імпульси керування для VS2 зв'язані в часі з негативним півперіодом синусоїди відносно тієї ж точки. Але для кожного тиристора свої імпульси керування завжди будуть позитивні відносно катода.

Випрямляч однофазний керований мостовий. На рис. 12.14, а показано керований випрямляч, виконаний за мостовою схемою з'єднання тиристорів у всіх плечах моста. У даній схемі тиристори відкриваються попарно. Позитивний півперіод синусоіди “обслуговують” VS1 і VS4, а негативний – VS2 і VS3.

На рис. 12.14, б показано схему моста, в одному плечі якого використовуються тиристори, в іншому – діоди. Такий керований випрямляч називається несиметричним.

Випрямляч трифазний керований з нульовим виводом.

На рис. 12.15 показано схему електричну принципову керованого трифазного випрямляча змінного струму.

В ипрямляч трифазний керований мостовий. На рис. 12.16 показано схему електрик-ну принципову керованого трифазного випрямляча (схема А.Н. Ларіонова). Тут у всіх плечах моста використовуються тиристори. Як і завжди, кожний тиристор відпрацьовує тільки у свій півперіод синусоїди.

Формування системи імпульсів для даної схеми і напругу при активному навантаженні наведено на рис. 12.17.

Рис. 12.18 демонструє схему електричну принципову керованого трифазного випрямляча, в катодній групі якого використовуються тиристори, а в анодній – діоди (несиметрична схема).

С истема імпульсного фазового керування (СІФК) керованих випрямлячів змінного струму.

Нагадаємо, що одноопераційні тиристори відкриваються після появи сигналу керування U_ЕК на електроді керування ЕК. Після зняття керуючої напруги U_ЕК, тиристори продовжують залишатися у відкритому стані до моменту, коли синусоїда змінного струму змінить полярність (при активному навантаженні). Робота СІФК враховує ці властивості керування тиристорів.

Системи керування випрямлячами повинні створювати синхронізовану з напругою мережі систему імпульсів, що зсунута у часі залежно від величини сигналу задання, з метою регулювання вихідної напруги (струму).

Керуючі імпульси U_ЕК у СІФК формуються для кожного тиристора окремо і подаються у відповідній послідовності. СІФК поділяються на одноканальні і багатоканальні. У сучасних СІФК найчастіше використовується так званий вертикальний спосіб задання кута відкривання .

При вертикальному способі напруга керування зрівнюється зі змінною напругою трикутної або пилкоподібної форми. У результаті формуються прямокутні імпульси, положення переднього фронту яких у часі визначається моментом рівності цих напруг. Зміною напруги керування регулюється кут відкривання α.

На рис. 12.19 показано варіант принципової схеми з часовими діаграмами напруг одноканальної або одного каналу багатоканальної СІФК.

Канал синхронізується фазною напругою U2 тієї фази, де включено її тиристор. Компаратор DA1 перетворює U2 у змінну напругу прямокутної форми, що є джерелом зовнішнього запуску для генератора напруги трикутної форми U4 на операційному підсилювачі (ОП) DA2. Сформована напруга трикутної форми та напруга керування U_К подаються на входи компаратора DA3. У момент рівності зазначених напруг компаратор змінює стан свого виходу U5. Диференціальний ланцюжок C2 – R2 формує імпульси керування U_ЕК, які через імпульсний трансформатор, або через оптичний елемент надходять на ЕК тиристора. У наших цілях використовується тільки імпульс, що синхронізовано позитивним півперіодом синусоїди.

Б агатоканальна синхронна СІФК керованих випрямлячів змінного струму показана на рис. 12.20, часові діаграми роботи схеми – на рис. 12.21. Кожний канал має той самий набір функціональних елементів, що і одноканальна СІФК. Синхронізуючі фазні напруги (U2_А, U2_В, U2_С, на схемі і на часових діаграмах) канали отримують від трансформатора Т. Напруга керування U_К – однакова для всіх каналів. Імпульси керування U_ЕК мають кут відкривання α відносно переходу через нуль синусоїди своєї фази. Позитивні імпульси U_ЕК виділяються діодами VD1. Дана СІФК може функціонувати з керованим випрямлячем, що зображено на рис. 12.14. У даному випадку, випрямлена напруга U_d має форму, зображену на останній часовій діаграмі.