Схемы управления тиристорами

Тип:
Добавлен:

Московский Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революции и Ордена Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА

Доклад

Тема: Схемы управления тиристорами

По научной работе выполнил _______________ Спирин А.П.

подпись, дата

Руководитель темы проверил ________________ Загидуллин Р.Ш.

подпись, дата

Москва, 2007

Содержание.

Содержание. 2

Общие требования. 3

Схемы управления тиристорами. 5

Запирание тиристоров. 14

Список используемой литературы.. 16

Общие требования

Основное назначение устройств и схем управления — создание управляющего сигнала, необходимого для надежного отпирания тиристоров. Возможны три способа управления тиристорами: с помощью сигнала управления; превышением напряжения переключения; быстро нарастающим напряжением du/dt (второй и третий способы применяются в основном для включения диодных тиристоров).

Отпирание тиристоров с помощью сигнала управления может осуществляться от источника постоянного, переменного и импульсного токов. Использование источников постоянного и импульсного токов характерно для управления триодными и запираемыми тиристорами, причем управление запираемыми тиристорами имеет ряд особенностей, связанных с возможностью включения и выключения прибора с помощью управляющего электрода импульсами различной полярности. Симметричный тиристор по своему назначению является переключателем переменного тока, поэтому для управления им часто используют источники переменного напряжения.

Требования, предъявляемые к схемам управления, вытекают из физических и конструктивных особенностей самих приборов, поэтому параметры входной цепи удобно рассмотреть с помощью диаграммы управления, приведенной на рис. 1.

Рис. 1 Диаграмма управления.

В поле, ограниченном кривыми ОА и ОВ, можно различить три области. В области тиристор не включается. В области II включение тиристоров не гарантируется. Границы этой, области ограничены параметрами цепи управления: током спрямления Iспр и напря­жением спрямления Uспр. Заштрихованная область III определяет рабочее состояние тиристора. Сверху область III ограничена кривой максимально допустимой входной мощности Ру.макс (кривая 1). В зависимости от изменения температуры окружающей среды грани­цы заштрихованной области могут перемещаться влево и вниз.

Для надежного включения тиристора источник управляющего сигнала должен быть рассчитан на ток и напряжение, которые долж­ны лежать в заштрихованной области, не превосходя при этом зна­чений, указанных в технических условиях. Условиями надежного от­тирания тиристоров являются:

Iу≤Iспр; Uу≥Uспр; IуUу≤Pу.макс,

Iспр — ток спрямления; Uспр — напряжение спрямления.

Линия нагрузки (кривая 2) строится из точки Еу под углом α, котангенс которого пропорционален ограничительному сопротивлению Rу, включая внутреннее сопротивление источника.

В технических условиях на тиристоры приводятся параметры Uу и Iу, измеренные на постоянном токе, однако управление от источ­ников постоянного тока не нашло широкого применения. Более эффективно управление тиристорами ст источников переменного на­пряжения (фазовое управление).

Однако способность тиристоров работать в импульсных режи­мах позволяет использовать для их управления наиболее экономич­ные импульсные источники тока. В этом случае тиристоры включают кратковременными сигналами определенной амплитуды и длительности, причем амплитуда входного сигнала может значительно пре­вышать постоянный входной ток, а. входная мощность определяется из условия

где Q — скважность импульсов.

Продолжительность импульса ограничивается промежутком вре­мени, необходимым для того, чтобы к концу импульса управления анодный ток по величине превзошел величину тока Iвыкл тиристо­ра. С другой стороны, чем меньше длительность запускающего импульса, тем меньше потери на управляющем электроде при­бора и тем меньше требуется

мощность от источника для управления. Поскольку рост анодного тока определяется параметрами силовой схемы, а также режимом нагрузки, дли­тельность запускающего им­пульса выбирается такой, что­бы во всех случаях обеспе­чить надежное отпирание тири­стора.

Для надежного переключе­ния тиристора в общем случае необходим запускающий им­пульс длительностью

Рис. 2 Зависимость максимального значения импульсного тока управления (или напряжения) от длительности импульса управления

Однако величина τу может быть значительно снижена за увеличения амплитуды запускающего импульса. Как видно из рис. 2, при увеличении максимального значения амплитуды запускаю­щего импульса длительность τу уменьшается и, для тиристоров типа КУ201, Д238, Д235 может быть выбрана в пределах от 1,5 до 3,0 мксек.

Выбор того или иного способа управления тиристорами зависит от требований, предъявляемых к конкретной схеме, и назначения данного устройства.

Схемы управления тиристорами

Управление тиристорами наи­более эффективно при использовании источников переменного и импульсного напряжения. Ниже будет расмотрен ряд схем, которые можно использовать для управления триодными и симметричными тиристорами.

Рис. 3 Ток и напряжение цепи переменного тока.

а – триодного тиристора;

б – диаграмма работы;

в – симметричного тиристора;

г – диаграмма работы симметричного тиристора.

В схеме на рис. 3,а тиристор отпирается в момент подачи сигнала управления и в течение интервала вре­мени (t1<t<π) через него протекает ток, определяе­мый параметрами нагрузки (рис. 3,6).

Когда на управляющий электрод тиристора сигналы управления не поступают (интервал 0<t<t1) или если к тиристору приложено обратное напряжение (интер­вал t2<t<t3), то приложенное напряжение практически полностью падает на тиристоре, т. е. он заперт. Изменяя угол открытия а, можно регулировать ток в нагрузке в течение положительного полупериода питающего на­пряжения.

В схеме на рис. 3,в симметричный тиристор прово­дит в течение положительного и отрицательного полу­периодов. Если нагрузка ZH носит чисто активный характер, то при включении тиристора СТ форма кривой тока повторяет форму кривой приложенного напряжения. В этом случае угол закрытия β всегда равен π.

В случае индуктивной нагрузки необходимо приме­нять специальные меры по уменьшению допустимой ско­рости нарастания напряжения du/dt. Как видно из гра­фика на рис. 3,г, при прохождении тока через нуле­вое значение питающее напряжение в этот момент имеет значительную величину противоположной полярности. При запирании тиристора СТ при нулевом токе его на­пряжение целиком прикладывается к тиристору с высо­кой скоростью, что может привести к выходу прибора из строя или включению его без подачи входного сиг­нала. Для уменьшения скорости нарастания напряжения силовые электроды тиристора шунтируют RС-цепью.

Управление симме­тричными тиристорами можно производить и непосредственно от се­ти переменного тока (рис. 4).

Рис. 4 Схемы подачи импульса запуска на симметричный тиристор

Когда в схеме (рис. 4) контакт К реле Р разомкнут, к управляю­щему электроду тиристорa СТ сигнал не поступа­ет и он заперт. При за­мыкании контакта К на вход тиристора СТ через ограничительный резистор Ry поступает сигнал и пе­реключает прибор в про­водящее состояние. Бу­дучи включенным, тири­стор СТ шунтирует цепь контакта К, ограничивая ток через него.

В отличие от схемы, изображенной на рис. 4,а, в схеме на рис. 4,б контакт К нормально замкнут. При размыкании контакта К на вход тиристора СТ подается запускающий сигнал и прибор включается. Когда кон­такт К замкнут, вход тиристора СТ зашунтирован.

Рис. 5 Схема управления триодными тиристорами.

На рис. 5 приведена схема управления триодными тиристорами, которые включены встречно - параллельно. Управляющие импульсы формируются из анодного на­пряжения, поэтому работоспособность схемы не зависит от характера нагрузки. Резистор R предназначен для ограничения величины тока управления. При замыкании ключа К отпирается один из тиристоров ТТ1 или ТТ2, к аноду которого в этот момент приложено положительное напряжение. Запирание тиристоров производится при прохождении тока через нулевое значение.

Рис. 6 Схемы управления симметричным тиристором.

В схеме на рис. 6,а в качестве ключа применен транзистор Т. В исходном состоянии все напряжение сети приложено к первичной обмотке трансформатора Тр2 и на управляющем электроде тиристора СТ сигнал отсутствует. При подаче на входные клеммы транзистора Т входного сигнала он открывается и закорачивает вторичную обмотку трансформатора Тр2. Все напряжение сети прикладывается к трансформатору Tp1 и через диоды Д1 и Д2 поступает на вход тиристора СТ. Тиристор СТ отпирается, и через нагрузку Rн начинает протекать ток: напряжение на трансформаторе Tp1 уменьшается, что приводит к исчезновению сигнала управления. Процесс отпирания тиристора СТ повторяется каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивая на его входе сигнал управления положительной полярности.

В схеме, приведенной на рис. 6,б, для коммутации управляющего сигнала применен магнитоуправляемый контакт МУК.

Рис. 7 Схема фазового управления симметричным тиристором.

На рис. 7 изображена двухполупериодная схема с управлением по фазе, которая предназначена для питания нагрузки переменным напряжением. В этой схеме применены основной — тиристор СТ и вспомогательный— диодный тиристор СД. С помощью тиристора СД осуществляется управление тиристором СТ импульсами различной полярности. Кроме того, тиристор СД позволяет уменьшить мощность рассеивания на управляющем электроде СТ в промежутках между импульсами. Полярность заряда конденсатора С1 меняется каждый полупериод. Обладая двухсторонней проводимостью, тиристор СД позволяет конденсатору С1 поочередно разряжаться. При положительной полуволне питающего напряжения на управляющий электрод тиристора СТ поступает положительный импульс и прибор переключается в первом квадранте вольтамперной характерней (UС>0).

При изменении полярности приложенного напряжения переключение тиристора СТ происходит третьем квадранте его вольтамперной характеристики (UС<0). Для уменьшения влияния нагрузки на фазосдвигающую цепь R1C1 в схему включен резистор R3. Для увеличения предела регулировки угла отпирания тиристора СТ параллельно цепи R1C1 включена вспомогательная цепь R2C2.

Для управления тиристорами применяются генераторы запускающих импульсов, схемы которых можно выполнить на транзисторах, двухбазовых и туннельных диодах, магнитных элементах, а также на маломощных тиристорах. Выбор ключевого элемента для генератора запускающих импульсов зависит от назначения схемы, а также от требований, предъявляемых к параметрам входного сигнала.

Рис. 8 Схемы формирования импульсов управления.

На рис. 8,а приведена схема релаксационного гене­ратора, выполненная на двухбазовом диоде (однопереходном транзисторе).

Двухразовый диод имеет три вывода: эмиттер (Э), базу 1(Б1), базу 2(Б2). Участок между базами Б1 и Б2 имеет характер линейного омического сопротивления. При напряжении на эмиттере UЭ, меньшем некоторой максимальной величины Uэ.макс, переход эмиттер — база (Б1) смещен в обратном направлении и двухбазовый диод закрыт. Для включения двухбазового диода необходимо выполнение следующих условий: Uэ=Uэ.макс и Iэ>Iэ.макс.

Рассмотрим работу схемы. От источника Е конденсатор С заряжается через резистор R1. Как только на­пряжение на эмиттере достигнет значения Uэ.макс, диод ДБД открывается, а конденсатор С разряжается через сопротивление нагрузки RH. Когда напряжение эмиттере достигнет величины Uэ=Uэ.выкл, ДВД перестает проводить. В дальнейшем цикл включения повторяется.

Резистор R2 защищает двухбазовый диод от перенапряжений и стабилизирует его работу при колебаниях температуры окружающей среды.

Резистор R1 выбирается из условия обеспечения необходимого тока для отпирания двухбазового диода, т.е. чтобы Iэ>Iэ.макс.

Сопротивление нагрузки RH должно быть достаточно малым, чтобы напряжение Uн, обусловленное междуба­зовым током при закрытом диоде, не превышало напря­жения, необходимого для отпирания тиристора, т. е. Uн≤Uу.мин. С учетом этого условия сопротивление рези­стора Rh следует выбирать в соответствии с неравенст­вом

где Rб1б2 — междубазовое сопротивление двухбазового диода.

На рис. 8,б приведена схема генератора импульсов.

В течение положительного полупериода питающего напряжения конденсатор С1 заряжается через диод Д1 с постоянной времени τ, которую можно регулировать с помощью потенциометра R1. Напряжение, снимаем с конденсатора С1, одновременно выполняет две функции: является напряжением питания и служит сигналом управления. Транзисторы Т1 и T2 представляют собой спусковую схему, которая включается при подаче напряжения с конденсатора С1.

Когда открываются транзисторы, конденсатор С1 paзряжается через них и через сопротивление нагрузки Rн и на выходе схемы формируется импульс. Передний фронт этого импульса определяется постоянной времени разряда конденсатора. Так как время разряда C1 много меньше полупериода питающего напряжения, после окончания работы спусковой схемы на конденсатор подается напряжение того же полупериода и он вновь заряжается. В случае если напряжение на конденсатор C1 к концу повторного заряда будет больше или равно порогу срабатывания спусковой схемы, на нагрузке появится очередной импульс. В дальнейшем цикл включения повторяется.

Количество импульсов в пачке можно регулировать изменяя постоянную времени заряда. Увеличить импульсов в пачке можно также, изменив напряжение источника питания или величину емкости конденсатоpa C1.

Для управления мощными тиристорами, когда оказываются непригодными транзисторы, часто применяются схемы управления на маломощных тиристорах (рис. 8,в). В качестве накопителя энергии чаще всего используется искусственная линия из LC-звеньев, что позволяет получить на нагрузке близкую к прямоугольной форму импульса.

Рис. 9 Схема отпирания тиристора

В паузах между импульсами, когда тиристор заперт, конденсаторы формирующей линии ЛФ через зарядный дроссель L0 резонансно заряжаются до напряжения, приблизительно равного удвоенному значению напряжения источника питания. В момент подачи на управляющий электрод запускающего импульса тиристор ТТ отпирается, а линия ЛФ разряжается через нагрузку, формируя на ней близкий к прямоугольной форме импульс с параметрами, определяемыми характеристиками линии ЛФ. Для управления тиристорами часто применяют импульсные трансформаторы (рис. 9), которые хорошо обеспечивают развязку входной цепи приборов от генератора запускающих импульсов. С целью улучшения формы входного импульса в цепь управляющего электрода включают вспомогательные элементы.

Для отпирания тиристора с помощью импульсного трансформатора необходимо, чтобы напряжение Uу удовлетворяло условию Uу>RогрIспр, а длительность входного импульса τу была бы большей времени tвкл, т.е. τу>tвкл.

Рис. 10 Цепь отпирания триодного тиристора с кремниевым диодом во входной цепи

Рис. 11 Цепь отпирания триодного тиристора с разделительным конденсатором

Рис. 12 Цепь отпирания триодного тиристора с импульсным трансформатором

Запирание тиристоров

Для переключения тиристоров из проводящего состояния в запертое необходимо снизить анодный ток до величины, меньшей Iвыкл ,или подать на анод прибора импульс отрицательной полярности по отношению к катоду. Такие способы запирания характерны для диодных, триодных и симметричных тиристоров. Обычно в схему вводятся специальные эле­менты, обеспечивающие запирание тиристоров с по­мощью вспомогательных цепей прерывания тока, что характерно при питании схем от источника постоянного тока.

При использовании источника переменного тока за­пирание тиристоров осуществляется в момент перехода тока через нулевое значение.

Существуют многочисленные схемы, которые приме­няются для запирания тиристоров. Некоторые из них будут рассмотрены далее.

Основным способом, применяемым для запирания тиристоров, является использование коммутирующего конденсатора, который включается в анодную цепь ти­ристора, как показано на рис. 13, а.

Если тиристор ТТ2 отперт, конденсатор С заряжает­ся через резистор R1 до напряжения источника с поляр­ностью, указанной на рисунке. Когда отпирается тири­стор ТТ1 напряжение конденсатора прикладывается к ТТ2, смещая его в обратном направлении. Постоянная времени RC выбирается достаточно большой, чтобы обратное напряжение сохранилось в течение времени, не­обходимого для запирания тиристора.

Рис. 13 Схемы запирания тиристора

В схеме на рис. 13,б запирание ТТ осуществляется за счет подключения параллельно тиристору LC-контура. Когда тиристор заперт, конденсатор С заряжен до напряжения источника литания. В момент отпирания ТТ конденсатор С перезаряжается через индуктивность L и через полпериода собственной частоты контура

полярность его меняется на обратную. В следующий по­лупериод ток перезаряда конденсатора протекает через ТТ навстречу току нагрузки и, когда суммарный ток станет равным нулю, тиристор ТТ запрется.

В схеме, приведенной на рис. 13, в, запирание тири­стора осуществляется импульсом, возникающим во вто­ричной обмотке трансформатора, включенного в катодную цепь прибора.

В схеме на рис. 13, г запирание тиристора осущест­вляется с помощью импульса тока от внешнего источ­ника. В проводящем состоянии ток протекает через тири­стор ТТ и нагрузку Rн. Для запирания тиристора на базу транзистора Т подается запускающий импульс. После открывания Т источник Е2 оказывается прило­женным к тиристору ТТ и запирает его. В этой схеме время включенного состояния транзистора должно быть равно времени tвыкл тиристора ТТ.

Список используемой литературы

1) И.И. Дзюбин. Тиристоры в электронных схемах. М., «Энергия», 1972.

2) Кублановский Я.С. Тиристорные устройства – М.: Энергия, 1978

3) Кузьмин В. А.Тиристоры малой и средней мощности. М., «Советское радио», 1971

4) Горохов В.А., Щедрин М.Б. Физические основы применения тиристора в импульсных схемах. М., «Советское радио», 1972.

Copyright © 2018 WorldReferat.ru All rights reserved.