Тиристорные усилители с питанием от сети переменного тока и выходом на постоянном токе

В однополупериодной схеме рис.1.17,а среднее значение напряжения и тока нагрузки при питании усилителя синусоидальным напряжением е=Em*sin θ и активно – индуктивной нагрузке в функции угла открытия тиристора α (статическая характеристика вход-выход) определяется выражением:

, (1.12)

где Ем – амплитуда э.д.с. вторичной обмотки трансформатора Тр; α – угол открытия тиристора, 0<α<180º; β – угол закрытия тиристора (зависит от индуктивной составляющей нагрузки).

Форма напряжения для этого случая приведена на рис.1.17,б. При активной нагрузке угол запирания β=180 º и, следовательно:

(1.13)

Рисунок 1.17 – Однополупериодный тиристорный усилитель: а – схема; б, в – формы напряжения в нагрузке

Форма напряжения при этом показана на рис.1.17,в.

Для повышения эффективности работы схемы при активно-индуктивном характере нагрузки параллельно ей включают диод VD. При этом форма напряжения на нагрузке соответствует случаю на рис.1.17,в.

Основные недостатки однополупериодной схемы: загрузка источника питания постоянной составляющей тока, что приводит к подмагничиванию сердечника трансформатора и дополнительным потерям мощности, высокий уровень переменной составляющей выходного напряжения.

Двухполупериодная дифференциальная схема рис.1.18,а содержит два тиристора VS₁ и VS₂ и дифференциальный трансформатор Т_Р. Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом фазы на 180^о.

При чисто активной нагрузке напряжение на ней

α), 0 < a < 180^о (1.14)

и имеет форму на рис.1.18,в.

Рис. 1.18. Двухполупериодный тиристорный усилитель:

а – схема; б, в – формы напряжения на нагрузке

В случае активно-индуктивной нагрузки форма напряжения представлена на рис.1.18,б.

Тиристорный усилитель этого типа обладает рядом существенных недостатков: нелинейность характеристики вход-выход, дискретность управления тиристорами, задержка закрытия проводящих ток тиристоров до соответствующего изменения полярности анодного напряжения.

Двухполупериодные мостовые схемы тиристорных усилителей представлены на рис.1.19.

Рис. 1.19. Схемы двухполупериодных мостовых тиристорных усилителей

Недостатком схемы рис.1.19,а является ее относительная сложность, обусловленная наличием четырех тиристоров. Схемы рис.1.19,б и в выполнены с использованием только двух тиристоров, что существенно упрощает систему управления. Наибольшее распространение получила мостовая схема с объединенными катодами тиристоров рис.1.19,б, преимущество которой состоит в более простой схеме устройства управления по сравнению со схемой а. Однако следует иметь в виду, что при активно-индуктивной нагрузке и отсутствии обратного диода VD_О схема может обеспечить лишь двукратное изменение тока нагрузки. В схеме рис. 1.19,в необходимость в обратном диоде отпадает, поскольку роль его выполняют последовательно включенные диоды VD₁ и VD₂, но возникает необходимость гальванической развязки цепей управления тиристоров. В схеме рис.1.19,г управление тиристорами должно осуществляться от импульсного устройства, обеспечивающего сигнал в каждый полупериод питающего напряжения. Эту схему целесообразно использовать при сравнительно низкой частоте питания (не более 400-500 Гц) с тиристорами на небольшой ток.

Для мощных потребителей питание тиристорных усилителей и нагрузки осуществляется, как правило, от трехфазной сети переменного тока. Трехфазное питание позволяет исключить возможность неравномерной загрузки фаз, что имеет место при использовании одной фазы трехфазного источника, а также уменьшить пульсации выходного напряжения.

На рис.1.20,а приведена схема усилителя с тремя тиристорами VS₁, VS₂, VS₃. Импульсы сигнала управления открывают тиристоры поочередно со сдвигом по фазе на 120^о.

На рис.1.20,б приведена схема усилителя с шестью тиристорами.

Часто требуются тиристорные усилители, обеспечивающие изменение знака выходного напряжения при смене полярности входного сигнала.

Схемы таких (реверсивных) усилителей представлены на рис.1.21. Наиболее просто реализуется однополупериодная реверсивная схема рис.1.21,а с двумя встречно включенными тиристорами VS₁, VS₂. Одной полярности выходного тока соответствует открытое состояние VS₁, обратной – открытое состояние VS₂. Для увеличения среднего значения напряжения в нагрузке, а так же для уменьшения времени переходного процесса реверсирования тока нагрузки, последнюю целесообразно шунтировать конденсатором С.

Рис. 1.20. Схемы тиристорных усилителей с питанием от трехфазной сети переменного тока

Рис. 1.21 – Схемы реверсивных тиристорных усилителей

На рис.1.21,б представлена реверсивная двухполупериодная схема с питанием от однофазной сети. Она содержит восемь тиристоров, включенных по четыре в две мостовые схемы. Тиристоры одной мостовой схемы образуют плечо прямого такта, а другой – реверсивного. Следует отметить сложность данной схемы, обусловленной значительным числом тиристоров, требующих развязанных цепей управления.

Двухполупериодные реверсивные усилители могут нормально работать лишь в таком режиме, когда одновременное открытое состояние обоих плеч усилителя не имеет места. В противном случае в схеме устанавливается путь для короткого замыкания, что может привести к выходу из строя тиристора и других элементов силовой цепи усилителя. Обеспечение такого режима работы в стационарных режимах не встречает затруднений. Однако в переходных процессах при реверсе этот режим может нарушаться.

Для того, чтобы предотвратить возможность возникновения режима при реверсе существует ряд способов. Один из них заключается в том, что подача сигнала, открывающего запертое плечо, осуществляется лишь после того, как произошло запирание тиристоров ранее открытого плеча. Реализация этого способа возможна как за счет введения фиксированной задержки в цепи управления, действующей только при реверсе (время задержки должно превышать максимально возможную длительность открытого состояния тиристора после снятия сигнала управления), так и за счет обратной связи по току, протекающему через тиристоры, обеспечивающей соответствующую блокировку сигнала управления. Недостатком такого способа управления является ухудшение динамических свойств усилителя, определяемых при активно-индуктивной нагрузке временем переходного процесса равным

t_ПЕР ≈ (3-4)T, а также усложнением схемы усилителя.

Питание мощных тиристорных усилителей осуществляется как правило, от трехфазной сети.

Схема трехфазного реверсивного усилителя на двенадцати тиристорах представлена на рис.1.21,в.