Author: Преображенский В.И.
Tags: электротехника электрические машины и аппараты электронно-и аппаратостроение выпрямители
Year: 1986
Text
6f1.3
П72
I ' БИБЛИОТЕКА
,.;;) Э ЛЕКТРОМОНТЕРА
\
l
I[!
':::: !'
.J
...... I
-
v
в.и. ПРЕОБРАЖЕНСКИИ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ
БИБЛИОТЕКА ЭЛЕКТРОМОНТЕРА
Основаив в 1959 z.
Выпуск 582
в.и. ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ
'-
Второе издание, перера6отанное
и дополненное
.
f< нсрол
МОСКВА ЭНЕРrОАТОМИЭДАТ 1986
..... "".Z.- '1rt rR It
. \.... .
....... " ........ ....;.J..
::
ББК 31.264.5
П72
УДК 621.314.632
Р е ц е н з е н т Я .ю. Солодухо
Редакционная коллеrия:
В.Н. Андриевский, С.А. Бажанов, Д.Т. Комаров, В.П. Ларионов,
Э.С. Мусаэлян, С.П. Розанов. В.А. Семенов. А.Д. Смирнов, А.Н. Три
фонов, А.А. Филатов
Преображенский В.И.
П72 Полупроводниковые выпрямители. 2 e изд., перераб.
и ДОП. М.: 3нерrоатомиздат, 1986. 136 С.: ил. (Б ка
электромонтера; Вып. 582) .
Приводятся краткие сведения по основным злементам полупро-
водниковых выпрямитепей. Рассматривается работа основных схем
неуправляемых и управляемых выпрямителей. Излаrаются вопро-
сы выбора эпементов, способы повышения коэффициента МОЩНО-
сти, защиты выпрямительных устройств и техники безопасности
при зксплуатации. Первое издание вышло в 1976 r. Второе издание
дополнено новыми типами полупроводниковых приборов.
Для квалифицированных электромонтеров и мастеров пром-
предприятий, занимающихся эксплуатацией выпрямительных ycт
ройств.
23020ЗОООО-041
n 151--86
051 (01)--86
ББК 31.264.5
@ Издательство "Энерrия", 1976
@ Энерrоатомиздат, 19В6 с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ
Силовая полупроводниковая техника за последние rоды стала
одной из важнейших отраслей электротехники, во MHoroM опре
деляющей перспективу ее развития.
Выпускаемые отечественной промышленностью полупровод
никовые неуправляемые и управляемые вентили позволяют соз
давать компактные, малоrабаритные статические преобразовате--
ли тока, которые находят широкое применение в промышлен
ности, на железнодорожном и rородском транспорте, самолетах
и т.п. Различные выпрямители используются для возбуждения
злектрических машин, для питания якорей двиrателей в систе--
мах .злектропривода постоянноrо тока, злектролизных устано-
вок в химической промышленности и цветной металлурrии и
для мноrих друrих потребителей народноrо хозяйства нашей
страны.
Бурное развитие и расширяющееся применение полупровод-
никовых приборов требуют от злектротехническоrо персонала,
мастеров, техников специальных знаний по устройству, работе
и правилам эксплуатации преобразовательных установок различ-
Horo назначения, выпускаемых отечественными заводами.
В книrе кратко изложены вопросы устройства и принципы
действия полупроводниковых диодов, транзисторов и тиристо-
ров, приведены основные сведения по работе выпрямителей
однофазноrо и трехфазноrо тока, рассмотрен процесс инвертиро-
вания тока. Это позволяет без друrих источников разобраться
в работе основных элементов схем преобразователей и опреде--
лить их параметры.
Замечания и пожелания читателей следует направлять по ад-
ресу: 113114, Москва, M 114, Шлюзовая наб., 10, Энерrоатомиз
дат.
Автор
.
1. СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕнноrо ТОКА
В ПОСТОЯННЫЙ
Области применения постоянноrо тока. Из всех видов энер
rии наиболее широкое применение в настоящее время имеет
электрическая энерrия, так как по сравнению с друrими видами
энерrии (механической, тепловой, ядерной и др.) она обладает
важными npеимуществами: ее можно передавать на большие pac
стояния и достаточно просто распределять по потребителям, иэ-
менять параметры (значение напряжения, число фаз и пр.) и
преобразовывать в механическую, тепловую и друrие виды.
Преобладающая часть электрической энерrии производится lia
тепловых, rидравлических и атомных электростанциях враща-
ющимися электрическими машинами, которые rенерируют Tpex
фазное переменное напряжение частотой 50 rц. Переменный ток
находит широчайшее применение на промышленных предприя
тиях, в сельском хозяйстве и быту.
Однако в ряде важных областей техники нельзя обойтись без
постоянноrо тока, основными потребителями KOToporo являют-
ся электролизные установки для получения алюминия, меди,
цинка и друrих технически чистых металлов; установки электро-
химическоrо покрытия металлоlVl поверхности Apyroro металла
для повышения коррозионной стойкости, твердости и т .д.,
например никелирование и хромирование железа и пр.; устрой.-
ства для зарядки аккумуляторных батарей; двиrатели ПОСТОЯН-
Horo тока на промышленных предприятиях и в электрифициро
ванном транспорте,а также ero передают по линиям электропере
дачи на большие расстояния при высоком напряжении.
В настоящее время все более широкое применение получает
переменный ток частотой 4()(}.-.2500 rц для питания электроин-
струмента, высокоскоростных асинхронных двиrателей элек
трошпинделей шлифованных станков и др. Применение повы
шенной частоты позволяет значительно снизить массу электро-
маrнитных устройств трансформаторов, электродвиrателей и др.
Указанные факторы обусловливают необходимость преобразо
вания nepeMeHHoro тока в постоянный, изменения частоты тока,
а порой приходится преобразовывать постоянный ток в nepемен-
ный, например при рекуперативном торможении двиrателей
.nOCTORHHoro тока.
4
Типы преобразователей электроэнерrии. До HeAaBHero време-
ни в качестве преобразователей тока и частоты применялись пре-
имущественно двиrатель rенераторы, в которых ПОСТОЯННЫЙ ток
или переменный ток повышенной частоты получался с помощью
reHepaTopoB, приводимых во вращение трехфазными двиrателя-
ми nepeMeнHoro тока (асинхронными или синхронными).
Электромашин ное преобразование электрической энерrии
имеет существенные недостатки: во первых, двиrатель-rенера
торы имеют значительную массу и rабариты; во-вторых, кпд'
таких установок, определяемый произведением кпд двиrателя
и reHepaTopa, низкий; в третьих, вращающиеся преобразовате-
ли при работе создают акустический шум.
..; !I н аст оящее время постоянный ток получают, как правило,
непосредственным выпрямлением nepeMeнHoro тока с помощью
электрических вентилей, которые осуществляют переключения в
цепи выпрямителя. Такие преобразователи называются статичес-
кими и в отличие от вращающихся не имеют промежуточной
ступени механической энерrии. Переход от двиrатель rенерато-
ров к вентильным преобразователям позволяет заменять враща-
ющиеся машины статическими аппаратами, повышать кпд
установки, устранять шум и т.д.
Важной особенностью таких преобразователей является на-
личие электрической связи между цепями nepeMeнHoro и по-
стоянноrо тока, а у двиrатель rенераторов такой связи нет. По-
тенциальная связь между наrрузкой и вторичными обмотками
трансформатора осуществляется через вентили, образующие
выпрямитель. Это обстоятельство является недостатком стати-
ческих преобразователей. 1/
Типы силовых полупроводниковых вентилей. Основными
элементами статических преобразователей являются вентильные
приборы электрические вентили. Первые полупроводниковые
вентили селеновые диоды появились в З(}е roAbI. Они стали
применяться для получения постоянноrо тока в зарядных уст-
ройствах и электролитических установках.
Поворотным пунктом в развитии преобразовательной техни-
ки явилось создание в конце 5(}х rOAoB мощных неуправляемых
rерманиевых и кремниевых диодов и управляемых кремниевых
вентилей тиристоров. Полупроводниковые вентили имеют ряд
преимуществ по сравнению с друrими типами электрических
'вентилей (например, электронных и ионных) : постоянная rOToB-
НОСТь к работе, высокий кпд, широкий диапазон рабочих тем.
ператур, малые rабариты и масса, возможность эксплуатации в
любом положении в пространстве и при больших инерционных
наrрузках и др. Перечисленные факторы способствовали созда-
нию силовых полупроводниковых преобразователей и широко-
му их внедрению во все отрасли HapoAHoro хозяйства нашей
стран ы.
5)
Силовые полупроводниковые приборы по принципу действия
подразделяются на три основные rpYnnbI: силовые неуправля-
емые вентили диоды, силовые транзисторы и силовые управ-
ляемые вентили тиристоры. Внутри каждой из rpynn полу про-
водниковые приборы классифицируются по назначению и приме-
нению низкочастотные, высокочастотные, быстродейству-
ющие, импульсные и др.
2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРОВ
v Принцип действия полупроводниковых вентилей. Основными
элементами выпрямителей и преобразователей являются нели-
нейные электрические элементы, упрощенные идеальные вольт.
амперные характеристики которых (рис. 1) имеют два явно вы-
раженных состояния: включенное, соответствующее высокой
проводимости тока, и выключенное для низкой проводимости
тока элементом в электрической цепи. В настоящее время в пре-
образоватеЛАХ такими элементами преимущественно являются
полупроводниковые вентили различных типов.
Принцип действия полупроводниковых вентилей основан на
явлении односторонней проводимости rраницы раэдела двух
полупроводниковых структур, одна из которых имеет электрон-
ную (п-типа), а друrая дырочную (р-типа) электропровод-
ность.
Область электропроводности п-типа характеризуется тем,
что прохождение тока здесь происходит за счет переноса отри-
цательно заряженных э л е к т р о н о в, избыточное количест-
во которых создается вводом в монокристалл полупроводника
Д о н о р н ы х примесей, например сурьмы, МЫшьяка, фосфора.
В области электропроводности р-типа прохождение тока обу-
словлено переносом заряженных "дырок" (дырка это атом,
у KOToporo не хватает одноrо электрона и который, следователь-
но, обладает положительным зарядом, по абсолютному значе-
нию равным заряду электрона). Дырки получаются введением
r
Включен
и
1 !
Рис. 1. Упрощенная lидеальная)
воль амлернаА характеРИСТика
нелинейноrо элемента 18) и ero
условное rрафическое обозначе-
ние 16)
Выключен
'"
а
а)
и
о)
/6
в монокристалл полупроводника а к цеп т о р н ы х примесей,
например индия, бора, алюминия.
В качестве основных полупроводниковых материалов, с по-
мощью которых получают структуры с различной электропро-
водностью, на практике наибольшее распространение получили
к р е м н и й и r е р м а н и й.
Вместе с тем следует отметить, что вследствие тепловоrо раз
рыва связей между атомами в примесных полупроводниках
всerда наряду с о с н о в н ы м и носителями зарядов, KOHцeH
трация которых большая, существуют также в каждом из слоев
н е о с н о в н ы е носители зарядов: дырки в полупроводниках
п типа и электроны в полупроводни ах р типа, создаваемые
путем перехода электронов OCHoBHoro материала из одноrо
слоя в друrой. В полупроводниках без примесей число электро
нов Bcer да равно числу дырок.
При контактировании двух полупроводниковых структур,
одна из которых обладает электронной, а друrая дырочной элек
тропроводностью, основные носители заряда (дырки вр области
и свободные электроны в п-области) проникают (диффундиру
ют) из одноrо слоя полупроводника в друrой. В результате вза .
имной нейтрализации электронов и дырок (их рекомбинации)
на rранице раздепа р- и п-областей образуется запирающий слой,
называемый э л е к т р о н н О-Д ы р О Ч н ы м пер е х о д о м
(р п-переход), обедненный носителями зарядов, т.е. возникает
потенциальный барьер, препятстующий прохождению дырок из
р-област!,! и электронов из п-области полупроводниковой пла
стины.
Основным свойством TaKoro р-п-перехода является зависи-
мость ero сопротивления от полярности приложенноrо напряже
ния. Для присоединения к внешней цепи с наружных сторон
р-п-слоев полупроводника создаются активные контакты с BЫ
водами (рис. 2) .
Рассмотрим на примере двухслойноrо кристалла кремния
процессы, происходящие в р-п-переходе при воздействии на Hero
внешнеrо напряжения U ис . Если к р области присоединить поло-
жительный полюс источника питания, а к п-области отрицатель-
ный, то основные носители тока будут двиrаться в поrраничном
спое навстречу друr друrу (рис. 2,а). В результате сопротивле-
ния р-п-перехода уменьшается и через rраницу раздела проходит
пр я м о й т о к 'пр, оrраниченный практически только сопро
тивлением наrрузки R H . Внешнее напряжение U ис такой поляр-
ности называется пр я м ы м и пр или проводящим.
При изменении полярности приложенноrо напряжения
(рис. 2,6) дырки в р-области и электроны в п-области полупро-
водника будут удаляться от rраницы раздела, что при водит к
увеличению сопротивления р-п-перехода, а поток основных но-
Сителей заряда уменьшается до нуля. Через р п переход прохо
1
дит незначитеЛЬНblЙ ток, создаваеМblЙ неОСНОВНblМИ носителя
ми, для которых приложенная разность потенциалов является
ускоряющей. Внешнее напряжение U ис такой полярности наЗbl-
вается о б р а т н bI М U обр или запирающим, а обусловлеННblЙ
им небольшой ток о б р а т н bI М Т О К О М 'обр.
Таким образом. значение и направление тока, протекающеrо
через р-п-переход двухслойной полупроводниковой структуры,
зависят от значения и знака внешнеrо напряжения U ис ' т.е.
р п-переход обладает ВblПРЯМЛЯЮЩИМИ (веНТИЛЬНblМИ) свойства
ми. Такую полупроводниковую структуру часто наЗblвают
в е н т и л ь Н bI М Э Л е м е н т о м.
Зависимость тока ',проходящеrо через р-п переход, от при-
ложенноrо к нему напряжения U наЗblвается в о л ь T a м п е р-
н о й характеристикой перехода. Эта характеристика имеет две
ветви (рис. 2,в) : одна расположена в первом квадранте и соответ-
ствует ПРОВОДЯL:..\ему направлению в р п-переходе (прямому
току 'пр [] нем), вторая в третьем квадранте и хаiJактеризует
запирающие своиства перехода. От характеристики идеальноrо
вентиля она отличается наличием HeKoToporo падения напряже-
ния на вентиле при прохождении прямоrо тока 'пр И обратно-
ro тока в случае при ложен ия обратноrо напряжения U обр .
V НеуправляеМblе вентили ДИОДbI. Д И О Д а м и наЗblваются
двухэлеКТРОДНblе элемеНТbI электрической цепи, обладающие од-
носторонней проводимостью тока. В качестве ИСХОДНblХ материа-
ине и не
+ Ф I IФ IФ +
р
I Ie--.
i<t>
.-ф e
CI I с...-.
R H
р
п
Uolip
п
+
+
Inp
I пр, А
J
CL)
Iolip
о)
ипр,В
Рис. 2. Прохождение тока
через р..,. переход полvпровод
НИКl)воrо вентиля:
в открытое (проводя
щее) состояние; б закры
тое (непроводящееl состоя
ние; в вольт амперная ха.-
рактеристика р-п-перехода
v 8
Iolip. мА 8)
лов для полупроводниковых диодов наибольшее применение
получили кремний и rерманий.
Кремниевые диады. Конструктивной основой для этих дио
дов являются тонкие диски (пластинки), вырезанные из MOHO
кристалла кремния с электронным типом электропроводности,
в которых сплавлением с алюминием либо диффузией в крем-
ний атомов алюминия или бора создается слой с электропровод
ностью р-типа. На rранице раздела этоrо слоя с основным ма-
териалом образуется р-п-переход.
Кремниевый диск с р-п-переходом впаивается между молиб
деновыми пластинками (рис. З,а), обладающими примерно Ta
ким же коэффициентом линейноrо расширения, как и кремний,
и хорошей теплопроводностью. Электрод, присоединяемый к
слою полупроводника с электропроводностью р-типа, является
анодом А, а электрод, присоединяемый к слою п-типа, като-
дом К. Полученная таким образом двухслойная монокристал-
лическая структура помещается в неразборный rерметичный ме-
таллостеклянный или керамический корпус, предохраняющий ее
р у /А
I np
..... ............ (-
r6"'''' '''''.
п К
а;)
Uo p,B 800
120 0 С
100
д) 50
чоо 200 О
В
50
100 Р
п
150
200
IoOp,MA
+ I пp ,
А А
200
Аи пр
К 150
1
Б
20 0 С
1,0 ипр,В
8)
А
t
I иo p
I
I к
к Io6p
В) + е)
Рис. з. Неуправляемый кремниевый вентиль диод:
8 УСТРОЙСТВО диода (схематическое); 6 и z прямое и обратное
Включение диода; в статические вольт амперные характеристики при
различных температурах р-п-перехода; д форма исполнения р п-пере-
ходалавинноrо диода
9
от влияния воздействующих факторов окружающей среды
влаrи, rрязи, механических повреждений.
Основные свойства полупроводниковоrо вентиля наrлядно
отражает ero вольт амперная характеристика, по которой опре-
деляются номинальные данные вентиля, ero наrрузочная способ
ность, возможность параллельноrо и последовательноrо соедине.-
ния их в схемах выпрямителей и преобразователей.
На рис. З,в изображены статические вольт амперные характе.-
ристики кремниевоrо диода на номинальный ток 200 А. П р я
м а я в е т в ь I np = f (и пр ) содержит два характерных участ-
.ка: на первом, частично совпадающем с осью абсцисс участке ОА,
вентиль имеет сравнительно большое сопротивление, и с ростом
прямоrо напряжения ток I np раает незначительно; на втором
участке АБ при увеличении и пр > и о сопротивление диода
резко уменьшается, а прямой ток I np возрастает до значений,
определяемых СОllротивлением наrрузки.
На о б р а т н о й в е т в и различают три участка: первый
08 сравнительно невелик, вентиль обладает еще малой проводи-
мостью и через р-п-переход проходит небольшой ток lобр,
измеряемый миллиамперами; на втором участке 8Т при значи-
тельном увеличении обратноrо напряжения ток lобр достиrает
насыщения и незначительно возрастает; третий участок тд xa
рактеризуется резким возрастанием обратноrо тока при незна-
чительном изменении U обр ' и наступает пробой р-п-перехода.
Выход диода из строя связан вначале с электрическим пробо-
ем р-п-перехода, который затем переходит в тепловой пробой,
происходящий часто не внутри р-п-перехода, а в месте ero выхо-
да на поверхность кремниевоrо диска, rде имеются участки, в
которых напряженность электрическоrо поля (вследствие Hapy
шения структуры кристалла, заrрязнения поверхности и т.д.)
значительно выше, чем внутри р-п-перехода.
В этих участках возникает электрический пробой р-п-перехода
и весь обратный ток проходит через них, вызывая резкое уве.-
личение мощности потерь и повышение температуры полупро-
водниковой структуры, что в конечном счете при водит к тепло
вому пробою и расплавлению кремния вблизи участка пробоя.
Значение напряжения и п , при котором обратная ветвь вольт-ам-
перной характеристики резко изrибается, называется про б. и B
Н Ы М н а n р я ж е н и е м. Указанный пробой обусловлен yдap
ной ионизацией атомов кристалла свободными носителями за
ряда и называется л а в и н н ы м. Возникновение лавинноrо
пробоя приводит к выходу диода из строя вследствие резкоrо
повышения выделяемой при этом мощности при протекании
обратноrо тока.
ДПА предотвращеНИR выхода из СТРОА р-п-перехода при кратковре-
менных обратных перенаПpRжеНИRХ разработаны специапьные типы СИ-
10
ловых ДИОДОВ С контролируемым лавинообраэованием л а в и н н ы е
в е н т и л и. Такой вентиль отличается от обычноrо тем, что обратная
ветвь ero вольт-амлерной характеристики (см. кривая 3 на рис. з,в)
имеет ярко выраженный лереrиб с оrраничением напряжения на уров-
не и п . лав , которое наэывают напряжением л а в и н н о r о про б о я.
Это достиrается блаrодаря специальной ступенчетой форме р-п-перехода,
который в эоне "эащитноrо кольца" (рис. З,д) имеет меньшую концен-
трацию дырок, чем в срадней части кремниевой пластины n-типа, что искпю-
чает имеющий место у обычных вентилей локальный пробой на периферии
вентильноrо элемента, быстро перерастающий в телловой пробой с выхо.
дом вентиля иэ строя.
Если к лавинному вентилю (в данном случае к диоду) KpaTKOBpeMeH
но прикладывается напряжение иобр > ип,лав. то происходит о б р а-
т и м ы й л а в и н н ы й про б о й по всей поверхности р-п-перахода,
чтО позволяет оrраничить выделяемую в нем мощность при протекании
обратноrо тока до нескольких десятков ампер. Воспринимаемое при этом
вентилем напряжение иобр остается практически равным напряжению ла-
винообраэования и п , лав' Однако в этом случае оrоваривается допуст..
мая энерrия, которую может рассеивать при бор при обратном направле-
нии тока, так как длительная работа в таком режиме также ведет к теп-
ловому пробою вентиля. Поэтому полупроводниковые вентили с лавин-
ной характеристикой допускают только кратковременную работу с пе-
реrруэкой по напряжению (при аварийных режимах работы преобраэо-
вателей. в частности при воэникновении перенапряжений) ,
Раэновидностью лавинных диодов являются с т а б и л и т р о н ы,
работающие в ражиме электрическоrо пробоя р-п-перахода. При напря-
жении пробоя обратный ток стабилитрона может воэрастать до 'пр,доп,
а напряжение остается практически равным напряжению стабилизации
ист. При припожении прямоrо напряжения вопьт-амперная характеристи-
ка лавинноrо диода такая же. как и у обычноrо диода (ветви ОА и АБ
на рис. З,в),
r е р м а н и е в ы е Д и о Д ы. 3лектронно-дырочный переход
данных вентилей получается путем сплавления пластинки repMa-
ния электропроводности п-типа с индием или диффузией атомов
друrой акцепторной при меси в исходный кристалл. При вплавле-
нии атомы индия диффундируют в rерманий, придавая прилеrа-
ющей области кристалла дырочную электропроводность_ К каж-
дому слою rермания припаиваются металлические контакты
(рис. 4,а), к которым присоединяются внешние выводы. Вен-
тильный элемент помещается в rерметичный металлический кор-
пус с изолятором для наружноrо вывода анода, которым явля-
ется слой rермания с электропроводностью р-типа. Катодом вен-
тиля является основание корпуса, имеющее шпильку с резьбой
(рис. 4,Z).
На рис. 4,в изображены вольт-амперные характеристики rep-
маниевоrо диода на ток 10 А. rерманиевые диоды по сравнению
с кремниевыми обладают меньшим падением напряжения при
. пропускании прямоrо тока (0,З 0,6 против 0,8 1,2 В у крем-
ниевых), а также меньшими значениями допустимых обратных
напряжений (600---800 по сравнению с 150 2800 В у кремни-
11
евых диодов). ОбраТНblЙ ток rерманиеВblХ диодов примерно на
порядок больше, чем у кремниеВblХ на такую же мощность,
которые допускают и большие плотности прямоrо тока (60----80
против 20----40 Д/см 2 у rерманиеВblХ) .
Вольт-ампеРНblе характеристики ПОЛУПРОВОДНИКОВblХ венти-
лей зависят от температурЬ! полупроводниковой структуры.
С ростом тем пераТУРbl у всех типов вентилей имеет место: сни
жение прямоrо падения напряжения (см. рис. З,в и 4,в) при
тех же значениях ПРЯМblХ токов на рабочем участке прямой BeT
ви 'пр = f (U пр ); значительное увеличение обратноrо тока, COIr
ровождаемое некоторым ростом напряжения U П . пав У лавин-
'")
А
Р
,......
'-
п
К
(1,)
UO/jp,B 50
2. 00С
50 0С
I np ,
А
8
А
6
к
Lf
о) 2
25
0,2. 0,3 ипр,В
в)
12
16
Io/jp,MA Lf'f
15,5 11,5
t'.j ц)
t'.j
z)
Рис. 4. Схематическое устройство a). усповное обозначение (6). стати
ческие вопьт амперные характеристики (в) и конструкция (z) I"ерма-
ниеВОI"О диода
12
ных вентилей (кривая 4 на рис. 3,в) и уменьшением напряжения
заrиба вольт амперных характеристик у нелавинных диодов.
Основные параметры диодов. В силовой полупроводниковой
технике в настоящее время применяется система предельных па-
раметров для вентилей, характеризующая предельные возмож
НQCти использования силовых полупроводниковых приборов и
предельные УСЛОВI"Я их эксплуатации. При любых режимах рабо-
ты значения воздействующих на прибор величин не должны быть
выше предельных параметров. В противном случае силовой по-
лупроводниковый прибор может выйти из строя.
Основными параметрами диодов АВЛАЮТСЯ:
1) n р е Д е л ь н ы й т о к 'п максимально допустимое среднее за
период значение тока, длительно протекающеrо через диод. Значение
'п опредеЛАеТСА в однофазной однополупериодной схеме выпрямлеНИА
(см. 3) с активной наrрузкой при частоте 50 ru, синусоидальной форме
тока, уrле проводимости 1800 и максимально д пустимой начальной TeM
пературе полупроводниковой структуры без последующеrо приложеНИА
напряжеНИА. При использовании веНТИЛА в друrих схемах необходимо пе-
ресчитывать предельный ток, так как измеНАЮТСЯ соотношеНИА между
средним и действующим значеНИАМИ тока, протекающеrо через диод
(это учитываеТСА коэффиuиентом формы тока веНТИЛА) .
На практике силовые диоды ИСПОЛЬЗУЮТСА совместно с определенными
типами охладителей, поэтому е информаuионных материалах ПРИВОДАТ
сА значеНИА 'п с учетом ВЛИАНИА охладитеЛА и условий охлаждеНИА
(указываеТСА скорость охлаждающеrо воздуха или расход охлаждающей
жидкости) ;
2) т о к р а б о чей пер е r ру з к и 'Р. пер максимальное значение
тока, превышающее предельное, который можно пропускать через диод
оrраниченное вреМА при заданных УСЛОВИАХ охлаждеНИА, при этом темпе-
ратура полупроводниковой структуры не превышает допустимое знаЧе-
ние. Дпительное протекание TaKoro тока вызвало бы превышение макси-
мально допустимой температуры структуры диода;
зJу д а р н ы й т о к 'уд максимально допустимаА амплитуда оди
ночноrо импульса аварийноrо тока синусоидальной формы длительностью
10 мс при заданных УСЛОВИАХ работы диода без последующerо приложе-
НИА наrрузки;
4) n о в т о рАЮ Щ е е с А н а n р А Ж е н и е и п максимально ропу.
стимое MrHoBeHHoe значение напряжеНИА, периодически прикладывае....оrо
к диоду в обратном направлении. НаПРАжение и п характеризуеТСА клас-
СОМ прибора и АВЛАется функцией схемы ВЫПРАмлеНИА;
51 м а к с и м а л ь н о е о б р а т н о е н а n р А Ж е н и е U заr (u л )
наПРАжение, соответствующее области заrиба обратной ветви вольт.ам
перной характеристики диода (напряжение лавинообразоваНИА ДЛА лавин
ных приборов) , Korдa даже малые приращеНИА напряжеНИА резко увели-
чивают обратный ток;
61 n р А М О е n а Д е н и е н а n р А Ж е н и А &пр MrHoBeHHoe значе-
ние наПРАжеНИА на диоде при прохождении через Hero npAMoro тока i np ;
7) о б р а т н ы й т о к 'обр ток, протекающий через прибор при
ПРиложении к нему обратнorо наПРАженИА.
Большинство указанных параметров обычно ПРИВОДИТСА в техничес-
ком паспорте на диод, а более подробнаА информаUИА опараметрах, ха-
13
рактеристиках и эксппуатационных свойствах в технических УСЛОВИRХ
на силовые диоды.
СИЛОВblе транЗИСТОРbl. Т Р а н з и с т о р о м наЗblвается полу-
ПРОВОДНИКОВblЙ триод, усилитеЛЬНblе действия KOToporo основа-
Нь! на управлении движением носителей электрических зарядов
в полупроводниковом кристалле. В качестве исходноrо материа-
ла используют rерманий или кремний, КОТОРblЙ путем введения
в Hero акцепторных и донорных примесей превращается в трех-
слойную структуру с чередующимися слоями р- и п-типов
электропроводности, разделеННblХ двумя р-n-.переходами.
В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают
траНЗИСТОРbl типов ,rп-р и п-р-n (рис. 5,а и б).
в структуре типа р-п-р ИСХОДНblЙ материал, являющийся
основанием (базой) конструкции, имеет п-проводимость. В два
наРУЖНblХ слоя ero вводятся путем сплавления или диффузии
атомЬ! акцепторной примеси, концентрация которой преВblшает
примерно на два-три порядка концентрацию ранее введенной в
монокристалл донорной примсси.
В транзисторах типа п-р-n в ИСХОДНblЙ монокристалл с р-про-
водимостью в наРУЖНblе слои вводится донорная примесь в зна-
чительно большей концентрации. Один из наРУЖНblХ слоев, ин-
жектирующий основные носители тока в приборе (ДblРКИ или
элеКТРОНbI) наЗblвается э м и т т е ром. Друrой наРУЖНblЙ
слой, принимающий эти зарЯДbl, наЗblвается к о л л е к т о ром.
ПромеЖУТОЧНblЙ слой, наЗblваеМblЙ б а зой, Вblполняет функ-
ции управляющеrо электрода, рerулируя поток зарядов и, сле-
довательно, значение тока, протекающеrо через прибор. На
рис. 5,в и z показаНbI УСЛОВНblе обозначения обоих типов тран-
зисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов.
П1 П2 П1 П2
11 Н к 11 " з
з I ,
. 11 I С j '}
+ I +
"-... "'" .........
р Б п р п Б р п о)
. (1,) .
з к к з
+ ............... + ............
1 э 1" 1" 1 з
8) 2)
Рис. 5. ПопупроводниковаR структура транзисторов типов p- p (в) и
p-п (6) и их усповные обозначеНИR в электронных схемах (в и z)
14
Принцип действия указанных разновидностей транзисторов в
основном один и тот же, за исключением противоположных зна-
ков основных носителей тока, поэтому рассмотрим работу толь-
ко транзистора {Ntр-типа.
Переходы П1 и П2 (рис. 6,а) , возникающие в процессе фор-
мирования тr и п-слоев в транзисторе типа тrп-p, имеют ту же
электрическую природу, что и тrп-переход в силовом диоде. При
отсутствии внешних напряжений через переходы П1 и П2 про-
ходят встречные диффузионные потоки основных инеосновных
носителей, уравновешивающие друr друrа. Поэтому результиру-
ющий ток в тrп-переходах равен нулю.
В случае подключения транзистора к внешним источникам по-
стоянных напряжений с полярностью, указанной на рис. 6.а
Е к
+
R K
R.
1 к
t
р
j
э
@----!--!- ...J.
11 IIor,1 э
---+
Iз !, Y"r
1 ко
к
R5
Е к
Ro
151 Б
+ J
Eo
Еб 10 U оз
а)
+
+
8)
I к
рк та.
и к тах
1
I
1
I
1
1
1
1
I
1[02
,,1
I
101
1
100
/ I!
// ,/ '"
о
IJи кэ
и..
и ка
о)
Рис. 6. Включение транзистора ло схеме с общим эмиттером:
а прохождение тока через транзисторную структуру р-п-р; б выход-
ные вольт-амперные характеристики; в схема лереключатеЛR на тран-
зисторе
15
(такое включение транзистора наЗblвают включением с общим
эмиттером), эмиттеРНblЙ переход П1 смещается в прямом нап-
равлении, коллеКТОРНblЙ П2 в обратном. При этом резко воз-
растает инжекция дырок через переход П1, что создает эмиттер.
НblЙ ток 'э' Значение этоrо тока очень сильно зависит от напря-
жения U кэ (в соответствии с прямой вольт-амперной характе-
ристикой перехода П1). Основная часть дырок диффундирует
через баЗОВblЙ слой к переходу П2. Поскольку электрическое
поле коллекторноrо перехода является для дырок ускоряющим,
то, пройдя этот переход, они создают коллеКТОРНblЙ ток 'к'
В установившемся режиме коллеКТОРНblЙ ток 'к Bcer да мень-
ше эмиттерноrо тока 'э, так как небольшая часть дырок реком-
бинирует в базовой области с электронами, вместо которых из
внешней цепи в базу входят новые элеКТРОНbI. В результате та-
Koro процесса создается баЗОВblЙ ток '6, которому соот-
ветствует противоположно направлеННblЙ ток +'6 во внешней
цепи.
Значение базовоrо тока составляет небольшую долю (1 5%)
эмиттерноrо тока, так как концентрация электронов в базе
HaMHoro ниже КОНЦt;rtтрации дырок в эмиттере. Три основных
(ДblРОЧНblХ) составляющих токов транзистора связаНbI между
собой соотношением
'э = 'к + '6' (1)
КоллеКТОРНblЙ ток транзистора 'к связан с током эмиттера
'э коэффициентом передачи тока а = 'к/'э < 1,. КОТОРblЙ тем
ближе к единице, чем больше концентрация основных носителей
заряда в эмиттере и меньше ширина базовоrо слоя полупровод-
никовой структуры.
Через переход П2 протекает небольшой обратНblЙ ток 'KO,
КОТОРblЙ создается дрейфом неосновных носителей заряда (ды-
рок) через коллеКТОРНblЙ переход под действием температуры.
От значения тока эмиттера 'э ток 'KQ не зависит.
На рис. б,б приведеНbI выходные характеристики транзистора,
включенноrо по схеме с общим эмиттером, отображающие зави-
симость тока коллектора 'к от напряжения U кэ между коллек-
тором и эмиттером при раЗНblХ значениях тока баЗbl '6. В пре-
образоватеЛЬНblХ устройствах СИЛОВblе траНЗИСТОРbl используют-
ся, как правило, в качестве ключеВblХ элементов, т.е. работают в
режиме переключения из области отсечки 1 в область наСblще-
ния2.
В режиме отсечки (точка А на ВblХОДНОЙ характеристике с
'6 = О) почти все напряжение питания Е к приложено к транзlot-
сто ру. В наrрузке R к протекает незначитеЛЬНblЙ ток, раВНblЙ об-
ратному току коллекторноrо перехода. Потенциал баЗbl положи-
телен по отношению к эмиттеру. Этот режим соответствует ра-
зомкнутому состоянию транзисторноrо ключа.
16 .,
В режиме насыщения (точка Б на выходных характеристи-
ках) сопротивление транзистора мало, через Hero протекает мак-
симальный ток 'к тах (ток насыщения), определяемый сопр<r
тивлением наrрузки ЯК' Потенциал базы отрицателен по отно-
шению к змиперу, и только небольшая часть напряжения источ-
ника питания l::1U кэ приложена к транзистору. Этот режим соот-
ветствует замкнутому сОстоянию транзисторноrо ключа
(рис. 6,в ) .
В активной области (участок АБ) транзистор работает как
усилительный элемент. Эта область является переход ной при ра-
боте транзистора в ключевом режиме.
Принцип действия рассмотренных выше транзисторов осно-
ван на использовании зарядов двух знаков дырок и электро-
нов, поэтому их часто называют б и п о л я р н ы м и. В послед-
нее время разработаны мощные транзисторы, принцип действия
которых основан на использовании носителей заряда только од-
Horo знака э л е к т р о н о в или дыр о к. Управление то-
ком таких транзисторов осуществляется изменением проводи-
мости канала, через который протекает ток прибора под воз-
действием электрическоrо поля. Вследствие этоrо такие тран-
зисторы называются у н и п о л я р н ы м и или п о л е в ы м и.
Положительными особенностями полевых транзисторов явля-
ются высокое быстродействие и большое входное сопротивле-
'" ние, что позволяет свести к минимуму потери мощности на уп-
равление ключевыми элементами преобразовательных устройств.
tr1 HOBHЫM их недостатком является сравнительно высокое со-
противление во включенном состоянии.
[ Основные параметры силовых транзисторов. Мощные транзисторы,
)lспользуемые в схемах преобразовательных устройств, выбираются по
следующим параметрам:
1) м а к с и м а л ь н ы й т о к к о л л е к т о р а 'к так ток, при КО-
тором мощность, рассеиваемая на коллекторе, не превышает максималь-
но допустимое значение;
2) м а к с и м а л ь н О е н а n р я ж е н и е м е ж д у к о л л е к т о-
р о м и э м и т т е р о м U кэmах максимально допустимое напряжение
между коллектором и эмиттером при коротком замыкании эмиттера и
базы или при включении между ними определеННОI"О резистора Rб;
3) м а к с и м а л ь н а я м о щ н О С Т ь, рассеиваемая на коллекторе,
Р К тах мощность, при которой температура коллеКТОРНОI"О перехода
(с vчетом условий охлаждения прибора) не превышает максимально до-
Пустимую.
4) с т а т и ч е с к и й к о э Ф Ф и ц и е н т у с и л е н и я n о т о к у
В СТ отношение тока коллектора к току базы.
Работа транзисторов в предельных режимах соответствует I"ранице
I"арантированной надежнос-rи, поэтому использование предельных режи-
мов в схемах, от которых требуется высокая надежность, не допускается.
Управляемые вентили тирмсторы. Тиристоры являются
мощными управляемыми полупро водниковыми пр иборами, O-
17
........... .k:f {:j.8 11 li &
";:'Z. А. JI. Ж III qJ'\'
торые отличаются от транзисторов очень высокими значениями
коэффициентов усиления управлеяющеrо сиrнала (более 1000),
а также большими значениями рабочих токов и напряжений.
Основным элементом тиристоров является кремниевый диск
с электронным типом электропроводности, в котором специаль-
ными технолоrическими методами создается четырехслойная по-
лупроводниковая структура типа р-пр-п. В результате получает-
ся монокристаллическая система с тремя р-п-переходами Пl,
П2, ПЗ, включенными последовательно (рис. 7,а).
Крайние два слоя Рl И Л2 С припаянными к ним металличес-
кими электродами являются соответственно анодом А и като-
дом К тиристора. К внутреннему слою Р2 присоединяется уп
равляющий электрод УЗ. Такую структуру, часто называемую
вентильным элементом, монтируют в специальный корпус, име-
ющий внешние выводы от электродов. Для упрощения конст-
рукции тиристора вывод от УЗ делают в сторону катода
(рис. 7,в).
При включении тиристора в электрическую цепь с реrулиру
емым источником постоянноrо напряжения U ип (рис. 8,а), по-
лярность Koтoporo можно изменять, связь между током, проте-
кающим через тиристор в прямом и обратном направлениях, и
напряжением между анодом и катодом отражает статическая
вольт амперная Хilрактеристика (рис. 8,б)_
Если на электрод УЗ тиристора управляющий сиrнал не подан
(/у = О) , а напряжение и пр или Uобр между анодом и катодом
не превышает определенноrо уровня (и пер или соответственно
и п ), то тирист р имеет большое сопротивление в прямом и об-
ратном направлениях и ток через прибор практически не проте-
кает. Действительно, если к аноду тиристора приложить отрица
тельное напряжение относительно катода, то к среднему перехо-
ду П2 (рис.8,в) будет приложено прямое напряжение и пр , а к,
переходам Пl и ПЗ, соединенным последовательно, обратное
напряжение Uобр. В результате тиристор оказывается запер
А А
А
А
П1 П2 ПJ
А К
о--- .
Р? п ? 'Р2 п 2
УЗ. а)
к УЗ К
о) 8)
к
е)
к
8)
Рис. 7. УпраВЛRемый кремниевый вентиль тиристор:
в схема четырехслойной структуры; усповные обозначеНИR тири
сторов различных типов: 6 динистора. в ТРИОДНОI"О. Z фототиристо
ра И д OnTpOHHOI"O
18
тым. Через Hero и во внешней цепи протекает небольшой обрат
ный ток 'обр, что соответствует обратной ветви вольт-амперной
характеристики тиристора, которая подобна ветви 'обр =
= f (U обр ) силовоrо кремниевоrо диода (см. рис. з,в..ц При по
даче на анод тиристора положительноrо напряжения, не превы-
шающеrо определенноrо уровня, например и пр , б < и пер
(рис. 8,6), к переходам П1 и ПЗ прикладывается прямое на-
пряжение, а к переходу П2 обратное напряжение, но так как
управляющий сиrнал отсутствует, то вентиль остается в закры-
том состоянии. В зтом случае через переход П2, а следователь
но, и через тиристор проходит в прямом направлении небольшой
ток утечки 'ут'
Перевод тиристоре И3 "3 а к р bI Т О 1'" о': СОСТОRНИR в "о Т к р bI Т О е"
при noпожительном напpRЖении на аноде может бblТЬ осуществпен треМА
способами: ПОВblшением приложенНОl'"о наПpRжеНИR вппоть до наПрRже-
ниR переключеНИR в к n ю ч е н и е n о а н о д у (ДИОДНblЙ тиристор,
I"P'Al
t [пр . д
Io6p
+ ( ) лип"
и нп
(+)
+
и у
о
и п а)
и о 6р, IA и лр ,
в -102 I o 6p,a. Вх10 2
Р1 П1
пf ПZ
-n ПЗ
о) Io p, 8)
мА
Рис. 8. Вольт амперНblе характеристики тиристоре:
в схема ДЛR СНRТИR характеристик; 6 статические вопьт амперные
характеристики; в схематическое устройство тиристоре
.
19
или динистор), п о Д а чей поп о ж и т е п ь н О f" О Н а п р 1'1 Ж е н и 1'1
на управпяющий эпектрод относительно катода, т.е. воздействием на цепь
управлеНИR Стриодный тиристор); о б л у ч е н и е м б а э о в о й о б-
л а с т и Р2 световым потоком (фототиристор И оптронный тиристор).
Включение па вноду. При постепенном увеличении ПрRМОf"О наПРRже-
НИR возрастает ток 'ут Сучастки 6е и:ев, на вопьт амперной характеристи
ке тиристора, см. ри&. 8). В точке в этот процесс становится лавинооб-
разным и тиристор переходит из закрытOf"О СОСТОRНИR В открытое (учас
ток BZ). НаПРRжение на прибора в точке в называется н а п р 1'1 Ж е н и
ем переключеНИR U пер .
Участок zд соответствует открытому СОСТОRНИЮ тиристора, через
которь.й проходит ПРRМОЙ ток 'пр, значение KOTOpof"O Оf"раничивается co
противпением внешней цепи. Все три р-п-перехода прибора смещены в
ПРRМОМ направлении, в свRЗИ с этим падение наПРRженИR на открытом ти
ристора ди пр станоеится незнечительным (0,75-----1,5 8). Однако такое
открывание по аноду СнаПРRжением U пер ) ДПR триодных тиристорое
обt.IЧНО не допускается. При необходимости использовать такой способ
вкпючеНИR следует при менять диодный тиристор Сд И н и с т о р) , те-
циапьно предназначенный для таких условий работы (см. рис. 7,6).
Включение по Уnpaв.лRющему электроду. Еспи при ПРАмом наПРRже-
нии на аноде веНТИЛR, меньшем напряженИR перекпюченИR Uпер. подать
на упраВПRЮЩИЙ электрод импупьс напряженИR и у , то через переход ПЗ
будет проходить небольшой ток 'у, нейтрализующий действие закрытOf"О
перехода П2. Тиристор открываетсл при меньшем значении ц..ер. и рабо.
чаR точка переходит на участок zд вольт амперной характеристики
(рис. 8,е).
Такой процесс отпираНИR тиристора происходит очень быстро Сне бо-
лее чем за 15-----20 мкс). с ростом тока 'у снижаетСR наПРRжение переклю-
чеНИR тиристора и открытому состоянию при бора ('у = 'у,ном) COOTвeт
ствует ПРRМая ветвь вопьт-амперной характеристики СИПОВОf"О диода.
С момента, КOf"да тиристор находится в открытом состоянии, ток управ-
леНИR уже не влияет на работу при бора и может быть прекращен, что поз
ВОЛRет примеНRТЬ импульсные схемы управпеНИR вкпючением тиристоров.
Включение с ломощью света. Перевод тиристора в ПРОВОДRщее СОСТОR-
нме можно осуществить обпучением попупроводниковой структуры
(Р2 слоя на рис. 7,в) световым потоком, под действием KOTOpof"O в
р переходе П2 увеличивается чиспо носителей заряда, необходимое ДЛR
отпираНИR прибора. Такой способ вкпюченИR получил применение при
создании тиристоров, упраВЛRемых от внешнerо по отношению к корпу-
су прибора источника света Сф о т о т и р и С т о р 101), и тиристоров, уп-
раВПRемых от источника света СизлучетеПR), помещен l'Irо внутри корпv-
са прибора (о п т р о н н 101 е т и р и с т о р 1011.
На рис. 7 , д показаны УСЛОВtiые обозначеНИR ука'8ННЫХ разновид-
ностей тиристоров по способу включеНИR.
Для перевоД8 тиристора в эакрытое СОСТОRНие необходимо удалить из
базовых областей накопленный за времR проводимости избt.IТОЧНЫЙ заряд
носителей. Этот процасс можно получить:
1) уменЫ,ueнием ПрЯМОf"О тока до HeкoTopof"O минимальнOf"О значеНИR,
называеМОf"О удерживающим током 'уд' При питании тириетора от источ-
нике nepeMeнHOf"O тока зто происходит е с т е с т в е н н 101" П У т е м,
KOf"AВ наПРRжение aHOД Kaтoд проходит через нупь, ипи спедует перевести
анодный ток во ВСПОМOf"ательную цепь, паралпепьную тиристору;
20
21 размыканием анодной цепи или кратковраменной подачей на вен--
тиль обраТНОf"О наПРRжеНИR, попучаеМОf"О от ВСПОМОf"атеЛЬНОf"О источника
lобычно от предварительно заРRжеННОf"О конденсатора ДЛR выключеНИR
тиристора в цеПRХ с питанием от источника ПОСТОRННОf"О наПpRженияl.
При этом начинается процесс рассасываНИR накопленных в попупровод
никовой структуре заРRДОВ Iдырок и эпектронов), в процессе KOTOpor-О
чераз тиристор протекает обратный ток, который после удалеНИR заpRДОВ
уменьшается практически до НУПR. Таким образом, попучают принуди
тепьнvю lи с к у с с т в е н н у ю) коммутацию упраВЛRемых вентилей.
Восстановление запирающей способности тиристора происхо-
дит в течение 1 250 мкс в зависимости от типа вентиля
( 'v мощных приборов время выключения достиrает 550 мкс) ,
после этоrо вентиль снова может выдерживать без включения
прямое напряжение.
Обратная ветвь вольт амперной характеристики тиристора
при разомкнутой цепи управляющеrо электрода ничем не отли-
чается от аналоrичной ветви силовоrо диода и также характери-
зуется про б и в н ы м н а п р я ж е н и е м И п . Анапоrично ла
винным диодам выпускаются лавинные тиристоры, которые спо-
собны рассеивать большую, чем обычные управляемые вентили,
мощность при протекании обратноrо тока. На рис. 8,6 показаны
зависимости 'обр f (Иобр): сплошной синей линией для
обычных тиристоров, пунктирной для лавинных.
Влияние температуры на обратную ветвь вольт-амперной ха-
рактеристики и на участок прямой ветви в проводящем состоя
нии тиристора такое же, как и для неуправляемоrо вентиля,
Т.е. с ростом температуры P- CTPYKTYPЫ значения И п и 'обр
увеличиваются, а ДИ пр уменьшается. На участке прямой BeT
ви, соответствующем закрытому состоянию тиристора, величи-
на И пер тах может для одних типов тиристоров уменьшаться,
для друrих увеличиваться.
Тиристор с четырехслойной р р- структурой, как и диод,
обладает односторонней проводимостью. Для электрических це-
пей переменноrо тока разработаны специальные приборы
с и м м е т р и ч н ы е т и р и с т о р ы (с и м и с т о р ы) , кото-
рые имеют: пять чередующихся слоев с проводимостями Р- И
типов (рис. 9,а), два внешних силовых электрода СЗ и СЗУ
и один управляющий электрод УЗ, который расположен' в цeH
т ре, а верхние металлические контакты левой и правой частей
злектрически связаны.
В такой структуре как при одной, так и при друrой полярно-
сти приложенноrо напряжения выполняются условия для про-
пускания рабочеrо тока в прямом и обратном направлениях,
если на .лектрод УЗ подавать положительный относительно
.злектрода СЗУуправляющий импульс. Если при этом на злектрод
СЗУ подано положительное относительно электрода СЗ напряже-
ние, то проводит ток правая половина структуры (Pl -n'l P'l nз) ,
21
если отрицательное, то в проводящее состояние переключится
структура ero левой части (пl PI п2 P2)' На рис. 9,6 показаны
вольт амперные характеристики си ми сто ра при различных
значеtlиях тока управления.
Для отпирания тиристора на ero управляющий электрод нуж
но подать от источника управления сиrнал определенных ампли
туды, длительности и полярности. При этом амплитуда и дли-
тельность сиrнала управления должны соответствовать вольт-ам
перным характеристикам управляющerо электрода тиристора
iy = f (и у ) (рис. 10). Кривая 1 соответствует прибору с макси-
мальным входным сопротивлением (Rуэmах) при максимально
допустимой температуре структуры, а кривая 2 прибору с ми-
нимальным входным сопротивлением (Rуэm;п) при минималь-
но возможной в условиях эксплуатации температуре.
Сверху и справа диаrрамма управления оrраничивается пря-
мыми 3 и 4, соответствующими предельно допустимым значе-
ниям напряжения управления И у тах И тока 'У тах на управ-
ляющем электроде (в зависимости от температуры структуры) .
в левом уrлу диarраммы указывают область (на рис. 10 она
заштрихована) , которая оrраничена минимальными значениями
тока 'У т;п И напряжения И у т;п, необходимыми для надежно--
ro отпирания любоrо тиристора AaHHoro типа независимо от
разброса параметров цепи управления. На диarрамме также при-
водятся кривые допустимой мощности потерь РУЭ' выделя
ющихся на управляющем электроде, для различных значений
( )
СЗУ
п з
Р2
п2
Р1
п1
са
(+)
1
и
а)
1
о)
Рис. 9. Полупроводниковая структура симистора (а) И вольт-ам-
перные характеристики (6)
22
длительности управляющих сиrналов (кривая 5 соответствует
импульсному управлению, кривая 5' отпиранию тиристоров
постоянным током) .
Область, заключенная между заштрихованной зоной, предель
ными вольт-амперными характеристиками 1 и 2, линиями пре--
дельно допустимых значений напряжения и тока управления и
кривой 5, является областью rарантированноrо включения
тиристора.
Наrрузочная характеристика источника управляющеrо сиrна
ла (Ry,c = Uy/ly) должна nepteceKaTb входную вольт амперную
характеристику данноrо тиристора в области rарантированноrо
включения. .
Большинство ТИПОВ тиристоров отечественноrо производства
включается токами 20G---400 мА при напряжении на управля-
ющем электроде не более 8 В. Длительность отпирающеrо им
пульса зависит от вида наrрузки: при активной наrрузке она
должна быть не менее 10 15 мкс, при индуктивной наrрузке
требуется более широкий импульс. Для четкоrо включения ти-
ристоров, уменьшения потерь мощности на переходе УЭ К
при включении, а также для уменьшения разброса значений вре--
мени включения приборов при rpynnoBoM соединении вентилей
управляющие импульсы должны иметь крутой передний
фронт не менее 1 А/мкс.
Основные параметры тиристоров. Часть параметров, которыми xapllK
теризуются мощные тирист ры. аналоrична параметрам. указанным выше
И у 3
U у тах
5'
иу,х
I у1к 1 у,тах i'J
Рис. 10. Характеристики цепи управления тиристора
23
для силовых диодов. Кроме Toro, в технических условиях обычно ука-
зываются:
1) д и Н а м и ч е с к и е пар а м е т р ы, характеризующие условия
эксплуатации тиристоров в схемах преобразователей: в р е м я в к л ю-
ч е н и я t вкл , мкс это время от момента подачи управляющеrо им-
пульса до момента снижения прямоrо напряжения на тиристоре до 10%
начальноrо значения при работе на активную наrрузку; в р е м я в ы к-
л ю ч е н и я (восстановления запирающей способности) t выкл , мкс;
к Р И Т И Ч е с к а я с к о р о с т ь Н а р а с т а н и я n р я м о r О Н а n р я-
ж е н и я (ДUnp/L1t), В/мкс максимально допустимое значение скоро-
сти нарастания прямоrо напряжения при разомкнутой цепи управления
(при превышении этorо значения происходит самопроизвольное включе-
ние тиристора); т о к у Д е р ж а н и я 'удерж, А минимальный прямой
ток, протекающий через тиристор при разомкнутой цепи управляющеrо
электрода, при котором прибор еще находится в открытом состоянии;
т о к у т е ч к и 'ут, А ток, протекающий через тиристор с разомкнутой
цепью управляющеrо электрода при припожении к нему напряжения в
прямом направлении;
2) пар а м е т р ы цеп и у n р а в л е н и я (катод управляющий
электрод), характеризующие переход тиристора из закрытоrо состояния
в открытое: о т пир а ю Щ и й т О к у n р а в л е н и я 'у' мА наимень-
шее значение тока управления, необходимое для переключения при бора.
Большинство указанных параметров силовых вантилей обычно приво-
дится в техническом паспорте на прибор, а более подробная информация
о параметрах, характеристиках и эксплуатационных свойствах в техни-
ческих условиях на прибор.
Оптоэлектронные полупроводниковые приборы. Оптронами
называют такие оптоэлеКТРОННblе приБОРbl, в KOTOpblX имеются
источник и приемник cBeToBoro излучения (светоизлучатель и
фотоприемник) с тем или ИНblМ видом оптической и электричес-
кой связи между ними и KOTepble конструктивно связаНbI друr
с друrом.
Принцип действия оптронов любоrо вида основан на том,
что в излучателе знерrия электрическоrо сиrнала преобразуется
в световую; в фотоприемнике, наоборот, световой сиrнал ВblЗЬJ-
вает электрический ток. Электрический сиrнал на излучатель по-
дается обblЧНО от внешнеrо источника. Световой сиrнал на фото-
приемник поступает по цепи оптической связи от излучателя.
ПроцеССbl преобразования энерrии в оптроне OCHOBaHbI на
квантовой природе света, КОТОРblЙ представляет собой злектро-
маrнитное излучение в виде потока частиц к в а н т о в.
Светоuзлучателu. Для применения в оптронах приrОДНbI не-
сколько разновидностей излучателей: м и н и а т ю р н bI е. л а м-
n о ч к и н а к а л и в а н и я, в KOTOpblX используется тепловое
излучение наrретой злектрическим током до 180Q.--.-2000 ос
нити; н е о н о в bI е л а м n о ч к и, в KOTOpblX используетс
свечение электрическоrо разряда rазовой смеси HeoH aproH,
и др. [см. 1, 1.1].
УказаННblе ВИДbl изучателей имеют неВblСОКУЮ светоотдачу,
24
оrраниченную долrовечность, большие rабариты, малую направ-
ленность излучения и сложны в управлении. Основным видом
излучателя, используемым в оптронах, является полупроводн
ковый инжекционныl1 светоизлучающий диод с в е т о Д и о д.
Рассмотрим процесс преобразования энерrии в таком оптроне
(рис. 11,а).
На rранице раздела {r и п-областей полупроводниковой
структуры, как было показано выше, возникает {rп-переход, в
котором сосредоточен объемный заряд из дырок и электронов.
При приложении к структуре прямоrо напряжения И ип в актив-
ной области В кристалла некоторых видов полупроводников
(например, арсенида rаллия и соединений на ero основе) созда-
тся избыточная концентрация свободных носителей зарядов,
инжектируемых р-п-переходом, смещенным в прямом направл
нии. Возникающий при этом поток электронов проходит через
область объемноrо заряда Е, создавая электронный ток 'п.
Часть электронов рекомбинируется в активной В и непрозрач-
ной С областях кристалла с дырками. Каждый акт рекомбина-
ции основных носителей заряда сопровождается излучением
кванта света, Т.е. имеет место и з л у ч а т е л ь н а я р е к о м-
б и н а Ц и я. .
- Одновременно возникает дырочная составляющая тока 'р,
обусловленная инжекцией дырок в п-область и отражающая тот
факт, что {rп-переходов с односторонней инжекцией не бывает.
Доля этоrо тока тем меньше, чем сильнее леrирована п-область
по сравнению с {rобластью структуры кристалла [3].
Часть возникающеrо излучения поrлощается в оmически
"прозрачной" области А кристалла (лучи 1 на рис. 11,6), кро
с Е В А С \t/ 8 А
I" I . j ../"
lp .. I
+U иn I I
" I ............
I"I п
I I" I ............
lp 1
..... т. I
"1
а) '!\ о)
Рис. 11. ЭпектричеСК8R (а) и оптическая (6) модели светодиода
25
ме Toro, имеет место: внутреннее отражение (лучи 2) при naде
нии лучей света на rраницу раздела сред полупроводник
воздух, имеющих разную оптическую плотность, что приводит в
конечнОМ счете к их потере из-за самопоrлощения.
rенерация квантов в активной области полупроводника яв
ляется спонтанной и характеризуется тем, что лучи света направ-
лены равно вероятно во все стороны. Лучи 3, распространяющие-
ся в сторону сильно леrированной области полупроводника,
быстро поrлощаются. Активная область В обладает волновод-
ным эффектом, и лучи 4 вследствие MHoroKpaтHbIx отражений
фокусируются вдоль этой области, поэтому интенсивность TOp
цевоrо излучения значительно выше, чем в друrих направлениях
выхода света из кристалла.
Основными материалами, из которых изrотовляются излуча-
тели, являются а р с е н и Д r а л л и я и соединения на ero ОСНО-
ве, а материалом для фотоприемников служит кремний. Оба
вида материалов имеют практически одинаковую оптическую
плотность (показатель преломления) . Это обстоятельство обе-
спечивает полное оптическое соrласование reHepaтopHoro и при-
eMHoro блоков оптрона.
Фотоприемники. Принцип действия используемых в оптронах
фотоприемников основан на внутреннем фотоэффекте, заклю-
чающемся в отрыве электронов от атомов внутри кристалличес
Koro тела под действием электромаrнитноrо (оптическоrо)
излучения. Образование свободных электронов приводит к из-
менению электрических свойств облучаемоrо тела, а возника-
ющие при этом фотоэлектрические явления используются на
практике. Экспериментально установлено, что наиболее значи-
тельные фотоэлектрические явления имеют место в полупровод
никах, в основном в беспримесных. Таким образом, в фотопри-
емнике происходит преобразование квантов света в энерrию
подвижных электрических зарядов, под действием которых на
р-п-переходе возникает фото ЭДС.
При разработке оптопар фотоприемник является определЯ
ющим элементом оптрона, а излучатель выбирается "под фото-
приемник". Уровень оnтронной техники в наибольшей степени
характеризуется диодными оптронами, промышленные типы
которых отличаются простотой устройства, большим разноо
разием, широтой функциональных возможностей, хорошим со-
четанием электрических параметров.
Конструкция силовых полупроводниковых приборов. Осно-
вой конструкции всякоrо полупроводниковоrо прибора явля
ется полупроводниковая структура, определяющая ero электри-
ческие параметры и характеристики. Структуру с элементами,
обеспечивающими необходимую механическую прочность, на-
дежный электрический и тепловой контакты с корпусом прибо-
ра, называют вентильным элементом конструкции. Вентильный
26
элемент должен иметь надежную защиту от влияния окружа-
ющей среды, поэтому он помещается в корпус, обеспечивающий
rерметизацию и механическую прочность всей конструкции.
По виду конструкции корпуса все силовые полупроводнико-
вые вентили можно разделить на штыревые, с плоским основа-
нием (фланцевыеl и таблеточные.
На рис. 12,а показана конструкция штыревоrо тиристора,
основание KOToporo 2 изrотовляется из меди совместно с нарез-
ным болтом 1 для обеспечения электрическоrо и тепловоrо кон-
такта с охладителем. Тиристоры с плоским основанием корпуса
(рис. 12,вl имеют медный фланец 1 для крепления прибора
болтами к охладителю. Крышки корпусов в обоих типах тири
сторов выполняются В металлостеклянном или металлокерами
ческом исполнении. Верхний силовой вывод 3 может быть вы-
полнен в виде металлическоrо (медноrо) плетеноrо жrута (rиб-
кий вывод) или MeдHoro полоrо стержня, заполненноrо свинцом
(жесткий вывод, рис. 12,61.
А
2
1
с>
<о
<"1
А
2S
C\J
<о
C\J
А
1
о)
8)
Рис. 12. КОНСТРУКЦИR МОЩНЫХ тиристоров:
а штыревой тиристор с rибким и (j без rибкоrо вывода; в флан
цевый тиристор с rибки.G. ВЫВОДОМ
27
Тир сторы таблеточной конструкции (рис. 13,а) выполняют
ся в виде таблетки 1 в rофрированном керамическом корпусе,
обеспечивающем защиту вентильноrо элемента от заrрязнений и
механических повреждений. Таблетка помещается между верх-
ним 2 и нижним 6 металлическими основаниями прибора, кото-
рые соприкасаются с охладителями, создавая электрический и
тепловой контакты. Управляющий электрод 4 тиристора BЫ
ден на боковую поверхность корпуса. Подключение прибора
к электрической цепи производитCR посредством токоведущих
пластин 3 и 5.
Штыревая и фланцевая конструкции применяютCR для сило
вых вентилей на ток-до З20А, таблеточная на ток 250А и более.
Приборы с плоским основанием корпуса более стойки к воздей
ствию циклической смены температуры. В разработках тиристо-
ров последних лет такая конструкция применяетCR более часто.
На рис. 13,6 в качестве примера показана конструкция ново-
ro силовоrо кремниевоrо транзистора серии ТК. Такие приборы
имеют массивный корпус штыревой конструкции с нарезным
болтом на основании для соединения с радиатором и жес1 кие
вы воды базы и эм иттера.
Общая характеристика полупроводниковых приборов. Oт
чественная промышленность выпускает в широком ассортимен
те силовые полупроводниковые приборы, применение которых
.позволяет создавать экономичные, малоrабаритные и облада
1 2 (,НО 3
База
.:t
"" Ч
6 5 "-
065 "">
.....
""
Рис. 13. ТаблеточнаR КОНСТРУКЦИR тиристора Т500 без охладитеЛR (а) и
f"абаритн vстановочные размеры СИЛОВОf"О транзмстора (6)
28
ющие высокой надежностыо различные преобразователи элект-
рической энерrии. Для удобства выбора полупроводниковых
приборов в процессе проектирования установок и замены вы-
шедших из строя вентилей во время их эксплуатации применя-
ется буквенно-цифровая система условных обозначений на си-
ловые диоды, тиристоры, транзисторы и отроны (rOCT 15543---
70*) .
Кремниевые диоды. В обозначении типа диода должны быть следу-
ющие элементы: буква В, обозначаюlШlЯ вентиль; для диодов с лавин-
ной характеристикой добавляется буква Л (ВЛ) , для высокочастотных
диодов буква Ч (ВЧ), дЛЯ вентилей с водяным охлаждением лосле
буквы В или Л добавляется буква В (ВВ или ВЛВ); затем лриводится
цифра, обозначаюlШlЯ конструктивное исполнение при бора OAHOr-О и TOr-О
же типа (для первоr-о исполнения цифра 1 не указывается), при этом по-
сле цифры ставится черточка; далее следуют цифры' обозначающие пре-
дельный ток в амперах, и, наконец, цифра (цифры), обоэначаюlШlЯ класс
по напряжению; инor-да указывеется прямое падение напряжения lcpeAнee
значение) в вольтах. .
Например, обозначение вентиля типа ВЛВ-500.В расшифровывается
так: диод с лавинной характеристикой, с водяным охлаждением, на пре-
дельный ток 500 А, 8-r-o класса (т.е. с повторяющимся напряжением
800 В) .
на практике часто при меняется сокращенное обозначение отдельных
типов вентилей, включающее два первых элемента полноr-о обозначения.
Например, обозначение вентиля типа В2-320 читается так: диод BTOpor-О
конструктивноr-о исполнен",я (циклостойкий) с предельны", ток,ОМ 320А.
Промышленностыо выпускаются несколько серий силовыx диодов
(низкочастотные, циклостойкие, высокочастотные и др.) на предельныв
токи 'п 10, 25, 50, 200, 320, 500, 800,1000,1250 А в одном вентиле,НВ
повторяющееся напряжение и п от 100 до 2400 В.
Низкочастотные силовые диоды предназначены для применения в ста-
тических преобразователях промышленной частоты в условиях: темпера-
туры окружающей среды от 50 до + 40 ос при воздушном охлаждении
и от +5 до +35 ос прм ВОДЯНUМ ОХЛ<Jждении; ударных сотрясений с уско-
рен",ем до 120 м/с"1- '" дл",тельных вибраций в диапазоне частот от 5 до
80 ru с ускорением до 75 м/с 2 .
Силовые rpaнзucторы. Обозначение типа при бора содержи.- четыре эпе-
мента. Пер вый э л е м е н т буква (для при боров широкоr-о прмме-
нения) или цифра (дпя прмборов слециальноr-о назначенмя) обозначает
I4СХОДНЫЙ материвп: r или 1 r-ерманий; К или 2 кремний; А или 3
арсенид nlлл"'Я. В т О рой э л е м е н т букве, определяющая прмнад-
лежность транзистора к биполярным (TI. или полевым (П) приборам.
т р. е т и й э л е м е н т трехзначное число, указывающее назначение
транз",стора по мощност'" И частотным свойствам, напрммер для силовых
низкочастотных транз",сторов от 701 до 799. Ч е т в е рты й э л е-
м е н т букве, указывающая разновидность прибора Aehhor-о типа
(А, Б . . .), Например, транз",стор типа 1Т702Б это мощный биполяр-
ный r-ерманиавый транз",стор для устройств специальнor-о назначения (им-
пулbCt1ые схемы, преобразователи напряжения и ДР.), имеет мраметры
U кэтак =60 В; 'к так = 30 А; Р К так = 150 Вт "(с: доnoлн",тельным тen-
noотводом) .
29
В наСТОRщее вреМА разработаны 1iOBbIe силовые кремниевые транзисто-
ры серии тк (см. рис. 15,6) на ток I Kтax =25,40.50,63,80 и 1ООА; .
мощность Р К тах = 125, 175, 250, 300, 400. 500 Вт и наПРRжение U кэтах =
= 50+200 В.
Тиристоры. В обозначении типа тиристора допжны содержаТЬСR следу-
ющие элементы: буква Т. обозначеющаR тиристор; ДПА тиристоров с па-
винной характеристикой добаВПRеТСR буква Л (ТЛ). ДЛR тиристоров С
ВОДАНЫМ охпаждением после буквы Т или Л добаВПRеТСR буква В (ТВ)
ипи (ТЛВ); буквеннаR часть обозначеНИR может ДОПОПНАТЬСА цифрой,
указывающей номер испопнеНИR, 2.3. . . . .9; далее поспе черточек следу-
ют числа. указывающие предепьный ток в амперах и класс по ПОВТОРА-
ющемуCR наПрRжению. Иноrда указываеТСR ПРАмое падение наПрRжеНИR
в вольтех.
Например. тиристор типа тз..160-7 это низкочастотный тиристор с
воэдушным охлаждением, Tpeтbero конструктивноrо испопнеНИR. на пре-
дельный ток 160 А. ПОВТОРRющееСR наПрRжение 700 В (7-й класс). ДлR
обозначеНИR симметричных тиристоров после буквы Т добеВПRетСR бук-
ва С (ТС). высокочастотных тиристоров букве Ч (ТЧ). фототиристо-
ров буква Ф (ТФ) , а оптронных тиристоров буква О (ТО).
Промыwленность СССР производит бопьшое копичество раэпичных
типов тиристоров на предельный ток от 10 до 1600 А и ПОВТОРRющеесR
наПРRжение 100 2400 В. К числу наибопее распространенных ОТНОСАТ-
сА: т и р и с т о р ы с е р и и Т. котораА состоит из ПRТи типов вентилей
Т25, Т50. Т1ОО, Т160 и ТВ2ОО штыревой конструкции и шасти типов
вентилей Т250, Т320. Т500. Т630. Т8ОО и Т1000 табпеточной конструк-
ции; т и р и С т о р ы н е л а в и н н ы е типов Т2-200. Т2-25О, Т2-320,
Т2-воо, а также типов Т14 на ток 125.160,200.250 и 320 А; т и р и С т о-
рыл а р, и н н ы е т и 1'1 а ТЛ на ток 160.200.250.320 А и типа ТЛВ-2ОО.
ВыпускаютCR также специапьные тиристоры: б ы с т р о д е й с т в у-
ю щ и е в ы с о к О ч а с т о т н ы е серии ТЧ на ток 25. 40. 50. 63. 80.
100 и 125 А. с и м м е т р и ч н ы е ш ты р е в ы е типов ТС-80. ТС-125.
ТС-160 и друrие типы вентипей (1).
В наСТОRщее вреМА раэработан по комппексной nporpaMMe "Интер-
эпектро" оптимальный рАД сиповых полупроводниковых приборов, ко-
торый вкпючает. 188 типов диодов и тиристоров на токи 10 2500 А.
ПОВТОРRющееСR наПрRжение 1()()",,-30ОО В. Разработанные приборы вэаимо-
замеНRемы по эпектричаским параметрам и rабаритно-присоединитель-
ным размерам. Основные исполнитепи по производству новых силовых
попупроводниковых приборов СССР. ЧССР и срр [4].
Оптоэлектронные при60РЫ. Обозначение оптронов аналоrично обоз-
начению попупроводниковых диодов и транзисторов. отличаетСR топько
обозначение первых трех элементов: 1'1 е рвы й э 1'1 е м е н т буква.
обозначающаR материап светодиода; в т о рой э л е м е н т буква
О-оптрон; Т р е т и й э 1'1 е м е н т буква, обозначающаR тип фотопри-
емника: Д фотодиод. Т фототранзистор. Р фоторезистор. У сла-
боточный тиристор; сиповые onтронные тиристоры содержат в обознача-
нии типа буквы ТО. Пример обозначенИR: АОТ102В -:..... оптрон С арса-
нид-rаплиевым светодиодом и фототиристорным приемником. низкочас-
тотный, номер разраБОтки 02. rpynna В.
В неСТОRщее вреМА промышленность выпускает сиповые оптронные
тиристоры типов ТО-б.3 и TQ-10. а также тиристоры серии ТО2 на токи
. 10. 40. 100. 160. 250 и 320 А на ПОВТОРRющеесR наПРRжение и п от 100
ЗО
до 1000 В (через каждые 100 В). Приборы nepBoro типа выполнены в таб-
петочном ппастмассовом корпусе, а сериR ТО2 в стандартном метаппо
стеКПАННОМ. Во всех этих оптронах в качестве излучатеПR испопьзуетСR
светодиод типа АЛ107 с относительно невысоким значением допустимоrо
npRMoro тока, поэтому основной режим работы зтих оптопар (по вход-
ной цепи) импупьсный.
ДлR управлеНИR фототиристором в ero корпусе предусмотрено спе-
циапьное окно ДПА пропускаНИR cBeтoBoro потока. В оптронных тиристо
рах в качестве излучатеПR исnoпьзуетСR полупроводниковый светоизпу-
чающий диод светодиод, на который подаетСА упраВПRЮЩИЙ сиrнап.
Существенным преимуществом фото и оптронных тиристоров перед ти
ристорами, упраВПRемыми эпектрическим сиrнапом, АВПАетСА отсутствие
rальванической СВRЗИ между сиповой цепью прибора и системой их управ
пеНИR.
rpynnoBoe соединение силовых вентилей. В преобразователях
большой МОЩНОСТИ требования к среднему значению прямоrо
тока и обратному напряжению Moryт превышать номинальные
значения параметров существующих вент.илей. В этих случаях
задача решается параллельным и последовательным соединением
полупроводниковых приборов, которое также используется для
повышения надежности преобразователей, коrда выход из строя
i ,
..............
+ V1
iz
V2
.1u лр а)
i 1 2
иоо,
../о6р
о)
t , Rw
t z
Rw
.1U лр u а)
е)
иo 1
U o 6pZ
i
t o 6p
8)
Рис. 14. rpynnoBoe соединение попупроводниковых приборов:
8 паралпепьное; б поспедовательное; В и 2 соответственно об-
ратные и ПРАмые ветви вопьт амперных херактеристик диодов; д схема
выравниваНИR обратных наПРRжений на тиристорах; е схема выраВНИ-
ваНИR токов диодов
31
отдельноrо прибора не должен вызывать нарушения работы
всей установки.
При rpynnoBoM соединении вентилей из за несовnадения пря
мых и обратных ветвей вольт-амперных характеристик прибо-
ров возникают неравномерные распределения токов (при парал-
лельном соединении) или напряжений (при последовательном
соединении) между отдельными вентилями.
При параллельном соединении двух вентилей (рис. 14,а)
протекающий через них общий ток ; при одинаковом прямом
падении напряжения .6.U пр на обеих приборах распределяется
неравномерно: через диод V1 протекает ток ;1' а через диод
V2 ток ;2 < ;1 (рис. 14,z) вследствие несовпадения прямых
ветвей вольт амперных характеристик. Это вызывает I"ереrруз-
ку по току отдельных вентилей, ПРИВОДRщую к выходу ИХ 11З
строя вследствие neperpeBa.
В случае последовательноrо соединения вентилеv. (рис. 14,61
через оба прибора протекает один и тот же обратный ток ;обр.
но приложенное к ним обратное напряжение Uобр ввиду разли
чия обратных ветвей вольт-амперных характеристик (pIIIC. 14,в)
распределяется по диодам неравномернс;: к вентилю V1 прикла.
дывается напряжение U о БРl' а к венТИJ,ю V2 напряжение
U о бр2 < U о брl. Превышение на одном из вентилей обратноrо
напряжения над напряжением за..-иба вольт uмперной характери
стики может привести к пробою не только данноrо, но и всех
остальных вентилей вследствие повышения на них Uобр.
Для исключения выхода из строя вентилей при их rpynnoBoM
соединении принимают специальные меры для обеспечения paB
HOMepHoro делеНl1Я тока и напряжения между отдельными npl+
борами.
Для выравнивания токов между параллельно включенными
вентилями в настоящее время применяют два способа:
1) подбирают вентили с малым различием прямых ветвей
вольт амперных характеристик падение напряжения .6.U пр
на отдельных приборах не должно отличаться более чем на
0,02 В при изменении прямоrо тока от 0,1 'ном до 'ном *;
2) более распространенным способом выравнивания токов
между параллельно включенными приборами является приме-
нение индуктивных делителей тока различных типов. На
рис. 14,е представлена схема параллельноrо соединения двух
вентилей с индуктивным делителем, который представляет со-
бой тороидальный витой или шихтованный сердечник с двумя
встречно включенными обмотками, через которые подводится
ток к тиристорам V1 и V2, подключенным к одной "фазе".
*в конце УСЛОВНОf"О обозначения диодов и тиристоров, поставпяемых
дпя параппеПЬНОf"О соединения, следуют цифры, означающие прямое
падение напряжения.
32
Если токи ;1 и ;2' протекающие в обмотках TaKoro дросселя в
противоположных направлениях, будут неодинаковыми, то это
вызовет появление неуравновешенноrо маrнитноrо потока в
сердечнике, изменение KOToporo будет индуктировать в обмот-
ках Wl и W2 противоположно направленные ЭДС, которые бу-
дут выравнивать вольт-амперные характеристики параллельных
ветвей и способствовать равномерному распре.Q,елению тока в
тиристорах V1 и V2.
Индуктивные делители эффективны для выравнивания то-
ков в веrвях при их нарастании (в переходных режимах) или
коrда через вентили протекают пульсирующие токи, периодиче-
CKIr. изменяющие свое значение, что имеет место при работе вен-
тилей в схемах выпрямления nepeMeHHoro тока.
Для paBHoMepHoro распределения обратноrо напряжения на
последовательно включенных вентилях параллельно каждому
из них подключаются резисторы яш (рис. 14,д). Сопротивле-
ние этих шунтирующих вентили резисторов, Ом, можно под-
считать по следующему соотношению:
пи и тах
ЯШ
Сп 1) I обр твх '
(2)
rде п число последовательна включенных вентилей; И наи-
большее допустимое напряжение И П вентиля, В; И тВХ макси-
мальное напряжение на 'ветви с последовательно включенными
вентилями, В; 'обртвх наибольший обратный ток (ампли-
тудное значение). А.
Мощность шунтирующих резисторов Р Ш ' Вт, может.быть рас-
считана по действующему значению напряжения Ид на этом ре-
зисторе
Р Ш ;;> И /Яш.
(3)
Такой делитель из сопротивлений ЯШ выравнивает обратное
напряжение в установившемся режиме. Для обеспечения равно-
MepHoro распределения Uобр в переходных режимах, например
при переходе последовательно включенных тиристоров из от-
KpbIToro состояния в закрытое, параллельно тиристорам включа-
ют конденсаторы с резисторами (ЯС-цепочки). Обычно значение
емкости С 1-<-2 мкФ, а сопротивления Я = 20-<-30 Ом.
зз
з. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НЕVПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ОДНОФАзноrо И ТРЕХФАзноrо ТОКА
Выпрямителем называется статическое устройство, предназ
наченное для преобраэования электрической энеprии nepeMeHHIr
ro тока в постоянный 1. Необходимость в таком преобраэовании
возникает, коrда питание потребителя осуществляется постоян-
ным током, а источником электрической энерrии является ис-
точник nepeмeнHoro тока, например промышленная сеть часто-
той 50 rц.
Процесс выпрямления осуществляется непосредственно вен-
тильными элементами схемы выпрямления и заключается в том,
что наrрузка циклически переключается с одной фазы иСТочника
nepeMeHHoro напряжения на друrую. В настоящее время разра
ботано и применяется на практике MHoro схем выпрямителей
однофазноrо и трехфазноrо тока. Выбор той или иной схемы оп--
ределяется свойСтвами применяемых вентилей и условиями
работы выпрямителя. Например, в выпрямительных arperaTax
для зарядки аккумуляторных батарей, rде требуются небольшие
значения выпрямленноrо напряжения (2 48 В), наиболее
приемлемыми оказались схемы однофазноrо выпрямления с
вентилями на небольшие значения U обр . При выпрямлении вы-
соких напряжений (до 1000 1500 В) часто приходится приб
raTb к последовательному соединению вентилей или применять
диоды на большие значения U обр . Следовательно, применение
в таком выпрямителе трехфазной нулевой схемы выпрямления
на кремниевых диодах позволит затратить меньшее число венти
лей (три вместо четырех) , получить более высокий кпд и сни-
зить rабариты выпрямителя (см. 6).
Учитывая вышесказанное, рассмотрим работу основных схем
выпрямления однофазноrо и трехфазноrо тока, предполаrая
вначале для простоты расчетов параметров и облеrчения пони
мания физической сущности процессов в элементах схем, что
выпрямитель работает на активную наrрузку и состоит из ид
альных вентилей и трансформаторов, в которых можно пренеб-
речь падениями напряжения, а также обратными токами венти
лей, индуктивностями и намаrничивающим током трансформа-
тора.
Основными элементами, параметры которых подлежат расч
ту в схемах выпрямления, являются вентильные элементы и
трансформатор. Исходными данными при расчете служат вы-
прямленные напряжения U d и ток 'd, а также действующее
. значение напряжения питающей сети U 1 . -
1 По rOCT 23414-79 ДЛЯ названия таких устройств допускается также
применять термин "преобразоватепь' '.
34
Устройство и OCHOBHble элемеНТbI ВblПРНr.llителей. ВblПрЯМИ
тель представляет собой электрический arperaT, КОТОРblЙ состоит
в общем случае из следующих OCHOBHblX элементов (рис. 15):
силовоrо трансформатора 1, служащеrо для получения заданно-
ro напряжения на Вblходе ВblПРЯМИТеля, а также для электри-
ческоrо разделения цепи Вblпрямленноrо тока с питающей сетью,
что необходимо при заземлеliНОЙ наrрузке; блока вентилей 2,
соединеННblХ по определенной схеме и обеспечивающих прот
кание тока в цепи наrрузки в одном направлении, в результате
чеrо переменное напряжение преобразуется в пульсирующее;
сrлаживающеrо фильтра З, КОТОРblЙ ослабляет пульсации BbI-
прямленноrо.напряжения в цепи наrрузки 4. Если Вblпрямитель
управляеМblЙ, то в Hero входит еще узел 6, содержащий систему
управления вентилями. Для заЩИТbI Вblпрямителя от поврежд
ний при аваРИЙНblХ режимах в ero схему может входить блок за-
ЩИТbI JiI сиrнализации 5, а для поддержания с определенной
точностью значения и вых при изменениях напряжения пита-
ющей сети и с и сопротивления наrрузки R H стабилизатор
напряжения или тока.
В HeKOTopblX случаях в схеме Вblпрямителя MorYT отсутство-
вать отделЬНblе элемеНТbI, например фильтр 3 при работе выпря-
мителя на наrрузку индуктивноrо характера или силовой тран-
сформатор 1 в случае бестрансформаторноrо включения выпря-
мителя, что может иметь место в мостовых схемах ВblПРЯМ-
ления.
В зависимости от количества ВblпрямпеННblХ полу периодов
пит ющеrо напряжения схемы Вblпрямления подразделяются на
о Д н о п о л у пер и о Д н bI е и Д в у х поп у пер и о Д н bI е.
По числу фаз перВИчной обмотки трансформатора Вblпрямители
делятся на о Д н о фаз н bI е и т р е х фаз н bI е.
Вblпрямители однофазноrо тока. При небольшой мощности
наrрузки (д о н е с к о л ь К И Х с о т е н в а т т) преобразова-
----и с
1 2 J Lf
:з 1 [ и, и I 1
I и у и и и«ф
I v
!i а) 6 О 9!; о) 271: Qt
Рис. 15. Структурная схема lal и кривые напряжений (бl ВЫПрямитепя
35
,
ние переменноrо тока в постоянный осущесТВЛRоr с помощью
о Д н о фаз н ы х в ы п р я м и т е л е й, питающихся от одно-
фазной сети переменноrо тока. Такие выпрямители предназначе-
ны для питания постоянным током различных устройств про-
мышленной электроники, обмоток возбуждения двиrателей
постоянноrо тока небольшой и средней мощности и т.д.
Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере
просте.йшейоднофазнои однотактной схемы
в ы п р я м л е н и я. В этой схеме (рис. 16,а) трансформатор
имеет одну вторичную обмотку, напряжение и2 которой изме-
няется по синусоидальному закону и2 = и таХ2 siп wt. Ток в
цепи наrрузки проходит только в положительные полупериоды,
KorAa точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод
вентипя V1, имеет положительныС< потенциал .:>тносительно точ
ки Ь, к которой через наrрузку присоединен катод. В результа--
те напряжение и2 оказывается приложенным к резистору Rd.
через которы й начинает протекать ток наrрузки iJ. Поскольку
* Индекс d используется для обозначения элементов, ТОКОВ и друrих
веЛИЧI1Н на стороне постоянноrо тока.
ис!.
td..
V1
и,L
ис!.
о) ь V2
Рис. 16. Однофазные выпрямите и:
а однополупериодная схема; б двухполупериодная схема;
диаrраммы напряжений и токов на элементах схем выпрямления
З6
в иz ..
при активной наrрузке ток по фазе совпадает с напряжением,
вентиль Vl будет проnускать ток до тех пор, пока напряжение
,времени (Vt 2: на рис. 16,в) к вентилю Vl прикладывается
все напряжение источника и 2 . Оно является для диода обрат
ным, и он будет закрыт.
Таким образом, на резисторе Rd будет пульсирующее напря-
жеtlие Ud только одной полярности, Т.е. в ы n р я м л е н н о е
I н а n р я ж е н и е, которое будет описываться положительными
tполуволнами напряжения и2 вторичной обмотки трансформато-
Ipa Т. Ток в наrрузке iC[ проходит в одном направлении, H O име-
ет также пульсирующии характер и представляет - -собои в ы-
1 Р Я М Л е н н ы й т о К_
Выпрямленные напряжения Ud и ток id содержат постоянную
Iполезную) составляющую Ud и Id и переменную составля-
,ощую (пульсации) Ud и .Jd ' Качественная сторона работы
выпрямителя оценивается соотношениями между полезной со-
ставляющей и пульсациями напряжения и тока.
Дпя однополупериодной схемы справедливы спедующие соотношения
между напряжениями, токами и мощностями в отдепьных элементах вы-
прямителя по отношению к соответствуЮЩИМ средним значениям на
аrр\'зке.
Среднее за период значение выпрямленноrо напряжения при идеаль-
ных Ilентилях и трансформаторе
U d = О,45и 2 -
(4)
Максимальное значение обратноrо напряжения на вентиле в непрово-
nRЩУЮ чаеть периода
U()!jpmax = v'2U 2 = 3.14U d . (5)
( : и 2 действующее значение напряжения ВТОричной обмотки тран-
ссрорматора Т.
Среднее значение тока. протекаЮщеrо через вентиль и наrрузку, 'в,ер =
== 'd = 'т/ тr . rAe 'т = Um/R d амплитуда тока цепи. Действующее значе-
Ние тока цепи '2 = 'm/2.
Таким образом, в ОДНОПОПУ"ЕРИОДНОЙ схеме выпрямления среднее
3НdчеНI1С выпрямпенноrо тока в тr раз меньше еrоамплитуды. в действу-
IOщее значе,.ие в 2 раза меньше амплит' аы тока. КоэФФициент формы
To :a
k Фi = '2/'в. ср = тr/2 = 1.57.
(6)
Средняя мощность. отдаваемая в наrрузку. определяется произведе-
Ни м напряжения Ud и тока 'd. Т.е. Pd=Ud'd'
Расчетную (типовую) мощность ST трансформатора. определяющую
....0 rабариты. можно представить как полусумму расчетных мощностей
**ПrJИ дальнейшем изложении текущие моменты времени Wt будем
-*' 'значать буквой t. как это принято в схемах ВЫПрямления.
37
первичной SI=U I / I и вторичной 52 =и 2 / 2 обмоток,т.е.
5 т = (51 + 52112 = 3,09Pd'
(7)
Следовательно, расчетнаR мощность трансформатора, работающеl"О на
ВЫПРRмитепь, бопьше мощности в наl"рузке в 3,09 раза, так как во ВТО-
ричной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий ПОСТОRННУЮ и
переменные состаВПRющие, а в первичной обмотке кроме тока основной
частоты f I ТОКИ высших I"армоник (см. 41. По отношению к сети
питаНИR эти токи RВПRЮТСR реактивными и, не создаваR попезной мощ
ности.лишь наl"ревают обмотки трансформатора ВЫПРRмитеЛR. Наличие
во вторичной обмотке ПОСТОRННОЙ состаВЛRющей тока /d увепичивает
степень насыщеНИR маl"нитопровода трансформатора, что вызывает воз
растание тока ХОЛОСТОI"О хода, и как спедствие ЭТОI"О возникает необхо-
димость в завышении расчетнои мощности трансформатора.
Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора
опредеПАетСА формулой
/2 = 1,571 d .
(81
Из (81 следует, что показаНИR амперметра электромаl"НИТНОЙ системы
А2, вкпючеННОI"О в цепь вторичной обмотки трансФорматора т
(рис. 1б,а), будут в 1,57 раза превышать показаНИR маl"нитоэпектричес-
KOI"O амперметра Ad, так как первый измеРRет действующее значение
тока, а второй средний ток в цепи наI"РУЗКИ.
Действующее значение наПРRжеНИR вторичной обмотки
и2 = 2,22 U d .
(9)
Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициеt+
та трансформации трансформатора п с W 1 /w 2 равно
/1 = '2/ п 1,57/d/n.
(10)
Недостатки этой схем... выпрямления следующие: плохое ис-
пользование трансформатора, большое обратное напряжение на
вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленноrо
напgяжения. Достоинства выпрямителя: простота схемы и пи-
тающеrо трансформцтора; применяется только один вентиль
или одна rpynna последовательно соединенных Вентилей:
Данная схема широко применяется для снятия квалифика-
ционных параметров силовых диодов и тиристоров, коrда в
испытуемом вентиле обеспечиваются однополупериодный сину
соидальный прямой ток и синусоидальное обратное напряжение.
Двухполуперuодная однофазная схема со средней точкой
представлена на рис. 16,6. Схема состоит из трансформаТОРа Т,
имеющеrо одну первичную и две последовательно соединенные
вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих
обмоток. Коэффициент трансформации п определяется отноше-
нием и 1 /и 2 . rде и 2 напряжение каждой из вторичных обмо-
ток (фоазные напряжения), сдвинутые относительно друr друrа
на 180 .
38
Свободные концы вторичных обмоток д и Ь присоединяются
к анодам вентилей V7 и V2, катоды которых соединяются
вместе. Наrрузка Rd включается между катодами вентилей, ко-
торые являются положительным полюсом выпрямителя, и нуле-
вым выводом О трансформатора, который служит отрицатель-
ным полюсом.
Вентили в зтой схеме, как и вторичные обмотки трансформа-
тора, работают поочередно, пропуская в наrрузку ток при по-
ложительных значениях анодных напряжений и2а и и 2 Ь
(рис. 16,z), в качестве которых обычно принимают направления,
совпадающие с проводимостями вентилей.
Действительно, при изменении напряжения в точках д и Ь
по закону и2 ,-: и 2т sin wt в тот полупериод, коrда напряжение
в обмотке Оа положительно, .ток проводит вентиль V7, анод ко-
Toporo положителен ПО отношению к катоду, связанному через
резистор Rd с точкой О вторичных обмоток. Анод вентиля
V2, так же как вывод Ь обмотки ОЬ, в этот полупериод (to tl)
отрицателен по отношению к нулевому ВЫВОДУ О и, следователь-
но, тока не пропускает. Вентиль V7 будет находиться во вклю-
ченном (проводящем) состоянии до тех пор, пока ток ;Вl'
протекающий через Hero, не станет равным нулю (момент вре-
мени (l). '
В следующий полу период (интервал времени (l ( 2 на
рис. 16,z) коrда напряжения на первичной и вторичной обмотках
Тp<lнсформатора изменяют свою полярность на обратную, ток бу
дет пропускать вентиль V2. В результате к наrрузке Rd будет Te
перь приложено напряжение и2Ь, а ток ;d будет равен току ;В2
вентиля V2. Вентиль V7 выключится, так как к нему будет при-
ложено обратное напряжение и о6р . Спустя полупериод, начиная
с момента времени ( 2 , процесс повторяется: ток будет прово-
дить вентиль V7, а вентиль V2 выключится и т.д.
Ток ;d в наrрузке все время течет В одном направлении от
катодов вентилей к нулевой точке О вторичных обмоток TpaH
сформатора, и на резисторе Rd появляется выпрямленное пуль-
сирующее напряжение U d , содержащее постоянную и перемен-
ную составляющие.
Для однофазной нулевой схемы справедпивы следующие соотношения
между напряжениями. токами и мощностями В отдельных злементах BЫ
прямителя.
Среднее значение ВЫПрЯмленноrо напряжения
U d = О,9и 2 ,
(11)
rде и 2 действующее значение напряжения на вторичной ПОЛУО6мотке,
и 2 = 1,11 U d .
(12)
39
Среднее значение ВЫПРRмленноrо тока в наrрузке
U d и2
'd= =
Rd 1, 11R d
(13)
Среднее значение тока через каждый вентиль в 2 раза меньше тока
'd, ПРОХОДRщеrо через наrрузку, т .е. 'в.ср = 0,5 'd'
Действующее значение тока веНТИЛR 'в равно действующему значению
тока вторичной обмотки трансформатора '2 и опредеЛRетСR формулой
'2 = O,7851 d = 1,57'в,ср'
(14)
Аналоrично козффициент формы тока веНТИЛR
kфi = 'в"в, ср = 1.57.
(15)
Вентиль. не работаЮЩLlЙ в отрицательную часть периода. оказываеТСR
под воздействием обратноrо напрRжеНИR, paBHoro двойному фазному
наПРRжению 2 и 2 , так как положительный потенциал вывода а (Ь) вто-
ричной обмотки трансформатора через ПРОВОДRЩИЙ диод V1(V2) пода-
еТСА к катоду диода V2(V1). а анод закрытоrо веНТИЛR имеет отрицатель-
ный потенциап.
Максимальное значение обратноrо напрRжеНИR
Uобртах = 2ф и 2 = 3.14U d . (16)
Действу.ощее значение тока первичной обмотки С учетом козффи-
циента трансформации п, выраженное через ток 'd'
'2 'd
'1 = у 2 = 1.11 (17)
п п
Расчетные мощности обмоток трансформатора опредеЛRЮТ по произ
ведеНИRМ дей::твующих значений токов и наПРRжений: 51 ='1 U I =
= 1,23P d и 52 = 2'2 и2 = 1,74 P d . а типовую мощность как попусум-
му мощностей 51 и 52, Т.е.
5 т = (51 + 52)/2 = 1.48Pd'
(18)
Следует отметить. что nOCTORHHoro подмаrничиваНИR сердечника
трансформатора в данной схеме не будет. если все обмотки располаrа-
ЮТСR на одном стержне маrнитной системы броневоrо типа.
Оценка качества выпр"мленноrо напряжения производится
посредством коэффициента пульсации, который представляет
собой отношение амплитуды первой (основной) rармонической
Udlт' как наибольшей из всех остальных к среднему значению
напряжения Ud и определяется по формуле
q =
U dlт
U d
2
2
т
(19)
rде т число фаз выпрямления, Т.е. число полу волн выпрям-
ленноrо напряжения, приходящихся на один период переменно-
ro тока, питающеrо выпрямитель.
40
Для рассматриваемой схемы частота первой rармоники пуль-
сации f n (1) = 2' с при частоте питающей сети f с = 50 r ц состав-
ляет 100 rц. Подставляя в (19) т = 2. определяем коэффици
ент пульсации: q = 0.67. т.е. амплитуда первой rармоники ud для
данной схемы составляет 67% U d .
Однофазная мостовая схема состоит из трансФорматора т с
двумя об""отками и четырех диодов V7 V4. соединенных по
схеме моста (рис. 17,а). К одной диаrонали моста (точки 7. З)
присоединяется вторичная обмотка. а в друrую (точки 2, 4)
включается наrрузка Rd. Общая точка катодов вентилей V7 и
V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрица
тельным . точка связи анодов вентилей VЗ и V4.
Вентилv. в зтой схеме работают парами поочередно. В положи-
тельный полупериод напряжения и2, соответствующая поляр-
ность KOToporo обозначена без скобок. проводят ток вентили
V7 и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное
напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напря-
жения и2 будут проводить ток вентили v2 и V4, а вентили
\/7 и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение Uобр =
= и2.
Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаr-
раммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 17.в)
будут такими же, как для однофазноrо двухполупериодноrо
выпрямителя со средней точкой.
u. z
i z
U z
V2
Ud. u tL . .
'<о ?/' '"
fVt
2
о)
i z i 'f
.+
Rct -+- Ztt а)
Рис. 17. Однофазный мостовой ВЫПРАмитепь:,
в. схема вкпюче ИА; б и в временн.,'.е диаrраммы наПрАжений и
токов на эпеме"тах схемы
41
Ток id в наrрузке проходит все время в одном направле-
нии от соединенных катодов диодов VI и V2 к анодам дио--
ДОВ VЗ И V4. Ток i 2 ВО вторичной обмотке трансформатора
(рис. 17,6) меняет свое направление каждые полпериода и будет
синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной
обмотке нет. Следовательно, не будет подмаrничивания сердеч
ника трансформатора ПОСТОЯННЫМ маrнитным потоком. Ток
i 1 В первичной nбмотке трансформатора также синусоидальный.
-Средние значения выпрямленноrо напряжения U d и тока 'в. ер
через вентиль в этой схеме получаются такими же, как и в ДBY>:
полуr.ериодной схеме с нулевой точкой.
Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям,
определяется напряжением и 2 вторичной обмотки трансформа-
тора, так как Ite работающие в д:lн....ый I10лупериод вентили OKa
зываются присоединенными ко e.tt\pичн6й обмотке трансформа
тора т через два друrих работ.а щих вентиля, падением напря-
жения в которых можно прене ь. Сл т.3ательно,
Uоб р твх = ..j2u 2 = 1,57 {',
",s,"'
Соотношения между друr и вел ;'!инами для однофазной
мостовой схемы приведены в табл. 1. "Сравним ДОСТОИНСТЕа
двухполупериодных однофазttt.х схем Dыпрямления.
О Д н о фаз н а я н у л е я с х e а:
1. Число вентилей в 2 раЗf мР.нt.Ш 1 ем i3 однофазной мосто-
вои. .
2. Потери МОЩНОСТИ в &." !"', ";J.... "e будут меньше, так как в
нулевой схеме ток проход.,. , .:H вентиль, а в мостовой
последовательно через дв, '"1"
ОднофаЗНпЯ мост:
1. Амплитуда обратноrо;"
меньше, чем в нулевой СХel
2. Вдвое меньше напряж ние (число витков) ВТОРIiIЧН Й oE
мотки трансформатора при одинаковых значениях напряжения
. I
З. Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вы-
вода средней точки на вторичной обмотке.
4. Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем
в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и
железа, меньше будут размеры и масса.
5. Данная схема выпрямителя может работать и без трансфор-
матора, если напряжение сети и 1 подходит по значению для по"
лучения необходимоrо напряжения Ud и не требуется ИЗОЛЯЦИи
цепи выпрямленноrо тока от питающей сети.
Выпрямители трехфазноrо тока. Питание постоянным током
потребителей средней и большой мощности производится от
трехфазных выпрямителей, применение которых снижает заrруз
42
1/.::'
(20)
ем а:
ения на вентилях в 2 раза
ку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсации и повы-
шает частоту пульсации Вblпрямленноrо напряжения, что облеr-
чает задачу ero сrлаживания. Для лучшеrо уяснения принципа
Вblпрямления трехфазноrо тока и режимов рабоТbI элементов
выпрямителей вначале рассмотрим трехфазную схему с нуле-
вым выводом.
Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом (или
трехфазная нулевая). К сети трехфазноrо тока подключен тран-
сформатор Т, три перВИЧНblе обмотки KOToporo MorYT бblТЬ сое-
динеНbI в звезду или треуrОI)ЬНИК, ВТОРИЧНblе обмотки только
в звезду (рис. 18,а). С'30БОДНblе КОНЦь! а, Ь, с каждой из фаз
ыоричной обмотки рисое' .IНЯЮТСЯ к анодам вентилей V1,
V2, V3. КатодЬ! вентилеiil СО,о."IНЯЮТСЯ вместе и служат положи-
теЛЬНblМ 110ЛЮСОМ дЛЯ цепи "з r рузки Rd, а нулевая точка О
вторичной обмgтки чсфор' ' 10pa отрицатеЛЬНblМ полюсом.
с
в
А
t '" t.
т
1f -
r О. .
,. о
!'1 V3
О
<.Jt
о)
€lJt
В)
Id тах
icf.
а)
е)
Рис. 18. Трехфазный ВЫПРАмитель с нулевой точкой:
8 схема с:оединеНИА обмоток трансформатора и Вi!I1Тилей; б z
диаrраммы наПРАжений и токов на элементах
43
Из временной диаrраММbI на рис. 18,6 видно, что напряжения
и2а, и 2 Ь и и2с СДВИНУТbI по фазе на одну треть периода (Т/З,
или 1200) и в течение этоrо интервала напряж ние одной фаЗbl
Вblше напряжения двух друrих фаз относительно нулевой точки
трансформатора. Ток через вентиль i B , связанную с ним вторич-
ную обмотку и наrрузку будет протекать в течение той трети
периода, Kor J.a напряжения в данной фазе больше, чем в двух
друrих. Работающий вентиль прекращает проводить ток TorAa,
KorAa потенциал ero анода становится ниже общеrо потенциала
катодов, и к нему приклаДblвается обратное напряжение.
П'ереход тоКа от одноrо вентиля к ApyroMY (коммутация то-
ка) происходит в момент пересечения КРИRblХ фаЗНblХ напряже--
ний (точки д, 6, 6 И Z на рис. 18,6). ВblпрямлеННblЙ ток ;d
проходит через наrрузку' Rd непреРblВНО (рис. 18,6).
Напряжение ud на выходе Вblпрямителя 6 любой момент вре--
мени равно MrHoBeHHoMY значению напряжения той вторичной
обмотки, в которой вентиль открыт, и Вblпрямленное напряже--
ние представляет собой оrибающую верхушек синусоид ФаЗНblХ
напряжений U2ф трансформатора Т.
При изменении вторичноrо напряжения и2 по синусоидально-
му закону ток ;2 каждой из фаз на участке проводимости ве......
тилей будет также синусоидаЛЬНblМ
_ и2 и 2т .
12 = = 5lпwt.
Rd Rd
Следовательно, аНОДНblЙ ток ;в будет иметь форму прямо-
уrОЛЬНi'iI(а с основанием Т/З, оrраниченноrо сверху отрезком си-
нуСОИДbl. На рис. 18,2 изображен ток фаЗbl д, токи фаз Ь с и с
изображаются подоБНblМИ КРИВblМИ, СДВИНУТblМИ на 120 от-
носительно Apyr Apyra.
(21)
Для трехфазной нулевой схемы вылрямления характерны следующие
соотношения между налряжениями. токами и мощностями в отдельных
элементах вылрямителя.
Среднее значение выпрямленноrо напряжения при холостом ходе
(коrда на выходе вып ямителя включен только вольтметр)
U do = 1. 17U 2ф.
(22)
["де U2ф действующее значение фазноrо напряжения на вторичной об-
мотке трансформатора.
Выпрямпенное напряжение Ud содержит постоянную составляющую
Ud и напоженную на нее переменную составляющую Ud . имеющую
трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пулЬСа-
ций Jiапряжения на выходе выпрямителя
2
2
= 0,25.
32 1
(23)
q
т2 1
44
Обратное наr.сяжение Uобр,приложенное к неработающему вентилю,
равно междуфазному (линейному) напряжению вторичных обмоток Tpa.r
сФоРматора, так как анод закрыто'-О вентил':! присоединен к одной из
фаз. а катод через работающий вентиль присоединен к дру.-ой фазе вто-
рИчной обмотки Т. На рис. 18.z показана кривая обратно,-о налряжения
Uобр между анодом и катодом вентиля V1.
Максимальное значение Uобр равно амплитуде линейно,-о напряжения
ча вторичных обмотках трансформатора, т .е.
r.;- ./.
U обртах = у3 . у2 U2ф = 2,09Ud.
(24)
Среднее значение выпрямленно,:о тока в на,-рузке
'd = UdfRd = 1, 17 lhфfR d .
(25)
Каждый вентиль в данной схеме работает 1 раз за период в течение
Tf3. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше
тока на,-рузки, т.е. 'в,ср= (113) 'd'
Действующее значение токов во вторичной обмотке '2 и вентиля
'в. д определяется формулой
'2 = 'в,д = ..;з 'в,ср = O.5851 d . (26)
Таким образом, в данной схеме токи вторичных обмоток имеют ПУЛIr
сирующий характер и содержат лостоянные составляющие. Коэффициент
Формы кривой тока
k Фi = 'в.д"в,ср = 1,73.
(27)
При одинаковом числе фаз первичной и вторичной обмоток трансфор-
матора Т(т Т1 = т т2 ) и одинаковых схемах соединения обмоток (звез-
да звезда) действующее значение лервично'-о фазно'-О тока '1 меньше при-
веденно.-о значения вторично'-о фазно.-о тока , , так как в кривой тока
первичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, которая не
трансформируется, Т.е.
'1 =
J, 2 ,2
п 2 В,ср
п
. 0,47'd'
(28)
Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным 06-
моткам траНСЦJOрматора, которые не полностью компенсируются токами
первич 'ой обмотки, создает в стержнях сердечника поток Ф О одно.-о на-
правлениЯ. значение КОТОРО'-О составляет 2()"",25% основно'-о ма.-нитно-
'-0 потока Ф в трансформатора и который изменяется с тройной частотой
в соответствии с пульсацией анодно'-О тока и замыкается частично по сер-
дечнику. частично по воздуху и стальной арматуре, окружающей сердеч-
ник (например, через стапьной кожух масляно.-о трансформатора). На-
личие потока однонаправленно,-о или вынужденно'-о подма,-ничивания
Ф О в сердечнике при водит к увеличению тока холосто.-о хода. в резуль-
тате че.-о сердечник трансформатора насыщается. а в стальной арматуре
возникают допопнительные тепловые потери. Помимо насыщения сердеч-
ника трансформатора такой поток лриводит к значительному возраста
нию падения напряжения в обмотках. что вызывает резкое уменьшение
45
среднerо - значения выпр.lflленноrо напряжения и повышение I<РУТИЗtU>1
внешней хараl<теРИСТИI<И (см. 6).
Устранить эти нежелательные явления можно либо увеличением сече-
ния сердечНИl<а трансформатора. а следовательно, и типовой МОЩНОСТИ
трансформатора. либо уменьшением амплитуды OCHOBHoro ПОТОl<а Ф в -
При заданной МОЩНОСТИ трансформатора ЭТО приводит 1< увеличению раз
меров маrнитной системы и влечет за собой повышение не толы<o массы
стали. но и массы оБМОТОI< трансформатора, посI<олы<y с повышением пе-
риметра сечения сердечНИl<а растет и средняя длина ВИТl<а у обмотOI<.
Типовая МОЩНОСТЬ трансформатора при соединении вторичных обмо-
ТОК В звезду без учета повышения массы маrнитной системы. вызванно-
ro наличием ПОТОl<а Ф о .
2
ЗUlф /1 'f- ЗU'2ф/2
2
= 1.З5Р d .
(291
51 +52
5 т =
ПОТОI< вынужденноrо подмаrничивания может быть ИСl<лючен введе-
нием дополнительных оБМОТОI< в I<аждой фазе на вторичной стороне тран-
сформатора и соединением вторичных оБМОТОI< "зиrзаrом" (см.
рис. 24.а).
Трехфазная мостовая схема выпрямления. Выпрямитель в
данной схеме состоит их трансформатора, первичные и вторич
ные обмотки KOToporo соединяются в звезду или треуrольник,
и шести диодов, которые разделены на две rpYnnbI (рис. 19,а):
1) к а т о Д н у ю, или н е ч е т н у ю (диоды V1, VЗ и V5),
в которой электрически связаны катоды вентилей и общий BЫ
вод их является положительным полюсом для внеШl-lей цепи,
а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток Tpat+
сформатора;
2) а н о Д н у ю, или ч е т н у ю (диоды V2, V4 и V6), в ко-
торой эле:причесl<И связаны между собой аноды вентилей,-
а катоды соединяются с анодами первой rpYnnbI. Общая точка
связи анодов является отрицательным полюсом для внешней це-
пи. Наrрузка подключается между ТОЧl<ами соединения катодов
и анодов вентилей, Т.е. к диаrонали выпрямленноrо моста.
Катодная rpynna вентилей повторяет режим работы трехфаз
ной нулевоv. схемы. В этой rpynne вентилей в течение каждой
трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциа
лом анода (рис. 19,6). В анодной rpynne в данную часть периода
работает тот вентиль, у KOToporo катод имеет наиболее отрица
тельный потенциал по отношению к общей точке1lнодов.
Вентили катодной rpYnnbI открываются в момент пересече-
ния положительных учаСТI<ОВ синусоид (точки а, 6, в и z на
рис. 19,6), а вентили анодной rpYnnbI в момент пересечения
отрицательных участков синусоид (точки К, Л, М И н) . Каждый
из вентилей работает в течение одной трети периода (Т /3, или
27Т/3).
46
При МI"новенной коммутации тока в трехфазной мостовои
схеме в любой момент времени ПРОВОДЯТ ток два вентиля
один из катодной, друrой из анодной rpYnnbl, при этом любой
вентиль одной rPYnnbl работает поочередно с двумя вентилями
друrой rpYnnbl, соединеННblМИ с раз\iblМИ фазами вторичной
обмотки (рис. 19,z и д). ИНblМИ словами, проводитьток будут.
те два накрест лежащих вентиля Вblпрямительноrо моста, между
с
в
А
U
UZa.
U Zb
ии
UZa.
blt
о)
6Jt
В)
1tJ.
ltJ.
и)blt
+
lri
UU.b '\J .
иа.
. C{ '"' ? иьс
и с " ........
. '. иса.
а)
а
wt
е)
Рис. 19. Трехфазная мостовая схема выпрямитепя:
а c e соедин'ения злементов; б е временн:'е диаrраммы Ha
п.ряжений и токов
47
lЮ Т а б 11 и Ц а 1. Основные Эl1ектричвские парnметры схем выпрямителвй при активно-индуктивной наrрузке
Схемы ВЫПРЯМl1ения Трансформатор 8еНТИl1И Наrрузка
и 2 '2 ST Uобр тах ,cp UdO q,%,
U dO 'd P d U dO 'd 'd 'в,ср и 2 при а = О
Однофазная AByxnol1Y- 1,11 0,785 1,48 3,14 0,71 0,5 1,57 0,9 67
периодная (НУl1евая)
0,707 1,34 1,41
Однофазная мостовая 1,11 1,11 1,23 1,57 0,71 0,5 1,57 0,9 67
1,0 1,11 1.41
Трехфазная НУl1евая 0,855 0,585 1,37 2,090 0,58 0,33 1,87 1,17 25
0,577 1,35 1,73
Трехфазная мостовая 0,427 0,817 1,05 1,05 0,58 0,33 1,87 2,34 5,7
1,73
Шестифазная нупевая 0,741 0,41 1,55 2,09 0.41 0.17 2,77 1,35 5,7
2,41
При м е ч а н и А: 1. ДI1Я всех схем принято и2 фазное напряжение и La = О. 2. Соотношения дl1я '2' 'в' ST указаны при
Ld = О (ЧИСl1итеl1Ь) и Ld = 00 (знаменатеI1Ь). 3. Для схем на упраВl1яемых веНТИI1ЯХ в режиме HenpepbIBHoro тока U d =
= U dO cosa; ДI1Я неуправl1яемыx выпрямитеl1ей а = О, cosa = 1 и U d = U dO .
KC-f()РЫМИ действует в проводящем направлении наибольшее
линейное напряжение U2Л. Например. на интервале времени
tl t2 ток про водят вентили V1. V6. на интервале t2 tз вен-
т\1ли V1. V2. нё! интервале tз t4 вентили V3, V2 и Т.д. Ta
ким образом. интервал проводимости каждоrо вентилЯ состав-
ляет Ф = 2п/3. или 1200 (рис. 19.е). а интервал совместной ра-
боты двух вентилей равен п/3. или 600. 3а период напряжения
питания Т = 2п происходит шесть переключени вентилей
(шесть тактов). в связи с чем такую схему выпрямления часто
называют ш е с т и n у л ь С Н О й.
Следует отметить. что нумерация вентилей в данной схеме не
носит случайный характер. а соответствует порядку их вступле--
ния в работу при условии соблюдения фазировки трансформа-
тора. указанной на рис. 19.а. Через каждую фазу трансформато-
ра ток i 2 будет проходить в течение 2/3 периода: 1/3 периода
положительный и 1/3 отрицательный. Ток id в наrрузке все
время проходит в одном направлении. Контур тока наrрузки
при открытых вентилях V1 и V6 показан на схеме рис. 19.а
тонкой черной линией.
В течение рабочеrо интервала времени одновременно проте-
кают токи во вторичных обмотках. расположенных на разных
стержнях маrнитной системы (см. токи i 2a И i 2b на рис. 19.а) .
при этом через две первичные обмотки. расположенные на тех
же стержнях. также протекают токи. Намаrничивающие силы от
ТОКОВ ;1 и ;2 на каждом из crержней в этом случае уравнове-
шиваются. и однонаправленный поток ФО не возникает. что яв-
ляется одним из существенных достоинств данной схемы.
Выпрямленное напряжение Ud в этой схеме описывается верх-
ней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений
(рис. 19.в). Частота пульсаций кривой Ud равна 6(1. коэффи-
циент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя
q = U d1m = 2 2 = 0.057. (30)
U d т2 1 б2 1
Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется
разностью rlOтенциалов ero катода и анода. Ординаты кривой
Uобр для вентиля Vl показаны на рис. 19,6 штриховкой. на
рис. 19.е кривая Uобр изображена полностью. Максимальное зна-
чение обратноrо напряжения на вентиле в трехфазной мостовой
схеме равно амплитуде линейноrо нап яж ия вторичной обмот-
ки трансформатора. Т.е. Uобртах "";2 U 2Л . При открытом
СОСТОЯНИИ двух вентилей выпрямительноrо моста друrие четы-
ре вентиля закрыты приложенным к ни,," обратным напряже-
нием. Выпрямленный ток id при работе на чисто актив ую наrруз.
ку полностью повторяет кривую напряжения U d (см. черную
кривую на рис. 19.в).
49
itt
i Zh i , a. Iе
О
wt
i ,ф i ,c 1 z)
L , .
О I cvt
I
I а)
I
i 'fl I
Z( .Y
. // LJI'
/ . / /
О wt
е)
50
в
и АВ
т
:2 К":
izc
n C2
V2 ha:.2 и ы
о)
Urf.
wt
в)
Соотношения между напряжениями и токами в трехфазной
мостовой схеме приведены на табл. 1.
Шестuфазная схема со средней точкой предста8лена на
рис. 20,а. Питание схемы осуществляется через трехобмоточный
трансформатор Т, на каждом стержне KOToporo расположены
три обмотки: по одной первичной, которые соединены в тре-
уrольник и подключены на и с , и две одинаковые аторичные
обмотки, соединенные в шестифазную звезду с нулем. Начала
обмоток обозначены точками. При этом вторичные обмотки
I подключены к анодам диодов Vl, VЗ и V5 началами, а об-
мотки 1/ подключены к анодам диодов V4, V6 и V2 концами.
В результате TaKoro соединения звезды фазных напряжений
и а ), и ь А' и с ) и и а 2' иЬ2, и с 2 смещены относительно друr друrа
на 180 (рис. 20,6), а векторы напряжений соседних фаз
на 60 о .
Как и в трехфазной нулевой схеме (см. рис. 18,а), в любой
момент времени в шестифазной схеме будет открыт тот вентиль,
потенциал анода KOToporo в данный момент выше, чем у друrих
вентилей. Как видно из рис. 20,8, на котором изображены си-
нусоиды вторичных фазных напряжений Ll2ф, в интервале t) t2
открыт вентиль Vl, в интервалах t2 tз и tз t4 вентили
v2 и VЗ и далее в соответствии с порядковыми номерами
вентилей. Коммутация тока с вентиля на вентиль происходит в
моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичных
обмоток трансформатора Т.
Кривая выпрямленноrо напряжения U d в этой схеме описы-
вается верхней частью синусоид фазных напряжений и2 ф. Часто-
та пульсаций кривой Ud по отношению к частоте сети f n () =
= 6f с' коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрями-
теля
2
2
62 1
= 0,057.
Q
т2 1
Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется раз-
ностью потенциалов ero катода и анода. Из рис. 20,8 ВИДIiО, что-
для вентиля Vl потенциал катода по отношению к нулевой
точке изменяется по оrибающей синусоид фазных напряжений,
а потенциал анода по кривой фазноrо напряжения и а ) (на
рис. 20,8 кривые этих напряжений показаны соответственно чер-
ной и синей линиями). Ординаты кривои Uобр для вентиля Vl
ПОказаны штриховкой. Максимал/:>ное значение об,ратноrо напря-
Рис. 20. ШестифаЭНЫ\1 выпрямитель со средней точкой:
а схема соединения элементов; б векторная диаrрамма напряже-
Ний обмоток трансформатора; в е BpeMeHНI!.e диаrраммы напряже-
ний и токов
51
1/
1,
I
j
I
I
жения на вентиле равно сумме амплитуд фазных напряжений
вторичной обмотки трансформатора
Uобртах = 2..j2u 2ф = 2.84U 2ф . (31)
Выпрямленный ток id при работе на активную наrрузку пол-
ностью повторяет кривую Ud (рис. 20.z). Ток через вентили
имеет форму прямоуrольных импульсов с криволинейной верх-
fiей частью длительностью 600 . Ток вентиля является также и то
ком вторичной обмотки трансформатора.
Среднее и действующее значения тока вентилЯ соответственно равны
'в. ер = 0.167'd и 'в,д = '2 = 0.4 08 'd'
Коэффициент формы тока вентиля
k фi = 'B.AI1 B ,cp = 0.408/0.167 = 2.44.
(32)
(33)
Соотношения между друrими величинами на элементах данной схемы
приведены в табл. 1.
В трехфазной нулевой схеме выпрямления, как было показано выше,
при соединении обмоток силовоrо трансформатора по схеме звезда-звез-
да в стержнях сердечника возникает однофазный поток вынужденноrо
намаrничивания, который осложняет работу схемы. Шестифазная нулевая
схема при таком соединении обмоток трансформатора практически ни-
KorAa не применяется.
При соединении первичной обмотки в треуrольник поток ФО вынуж-
AeHHoro намarничивания почти не возникает, так как ток в первичных об-
мотках блаrодаря присоединению каждой из них непосредственно к сети
nepeMeHHoro тока возрастает при HarpY'JKe выпрямителя до тех пор. по-
ка не компенсируется МДС. создаваемая вторичным током. Действитель-
но, ток i lA в r.оложителы'ЫЙ полупериод напряжения и а 1 равен току
il a (при Wl = W2). а в отрицательный полупериод вторичному току
i 2a (оис. 20,д). Эти токи протекают через вторичные обмотки трансфор-
матора, расположенные на том же стержне А. что и первичная обмотка.
поэтому '1 Wl R:'2 w2 инекомпенсированной МДС в сердечнике практи-
чески нет. На рис. 2О,е показана кривая линейноrо тока 'ПА' который
равен разности первичных фазных токов i 1A i1C- Продопжительность
noлупериодов линейноrо тока равна 1200. или 2rr/з рад.
Произведем сравнение достоинств трехфазных и шестифаз-
ных схем выпрямления при одинаковых значениях мощности
р d' напряжения U d . ОТСУТСТRИИ параллельноrо и последователь-
Horo соединения вентилей в плечах выпрямителей.
Трехфазная схема с нулевой точкой:
1. Схема простая. Число вентилей в 2 раза меньше. чем в мос-
товой или шестифазной нулевых схемах.
2. Меньше потери в вентилях. так как в данной схеме ток id
протекает чt'рез один диод. а в мостовой последовательно
через два диода.
52
т р е х фаз н а я м о с т о в а я с х е м а:
1. Обратное напряжение, прикладываемое к вентилям, в 2 pa
за меньше, чем в трехфазной и шестиФазной нулевых схемах,
и вентили следует выбирать на напряжение, близкое к Ud.
2. Напряжение (число витков) вторичной обмотки вдвое
меньше, чем в трехфазной, и в 1,73 раза, чем в шестифазной HY
левых схемах, но сечение провода соотвеТСl венно в 1.41 и в 2 pa
за больше.
3. Нет вынужденноrо намаrничивания сердечника трансфор-
матора и нормальное исполнение обмоток.
4. rабаритная мощность трансформатора на 30% меньше,
чем в трехфазной, и на 48% меньше, чем в шестиФазной нулевых
схемах, ток первичной обмотки имеет форму синусоиды.
5. Схема допускает соединение первичных и вторичных об
моток трансформатора звездой и треуrольником. Она может
быть применена и без трансформатора.
Ш е с т и фаз н а я н у л е в а я с х е м а:
1. При соединении первичной обмотки трансформатора в
треуrольник поток вынужденноrо намаrничивания практически
не возникает.
2. Частота основной rармоники переменной составляющей
выпрямленноrо напряжения, как и в мостовой схеме, в 2 раза
выше, а коэффициент пульсации напряжения Ud почти в 4,5 pa
за меньше, чем в трехфазной нулевой схеме.
3. При форме тока вентилей, близкой к прямоуrольной,
k Фi в 1.41 раза выше, чем в трехФазных схемах. Вследствие
этоrо при одинаковом среднем значении тока / в, ер' протека
ющеrо через вентили, предельный ток /п выбираемых приборов
для данной схемы будет больше [Iп = (kф,з1kф,к) /в. ер
= (2.45/1,51)/в,ер = 1,56/ в . ер ; здесь Кф,з и Кф,к коэффи-
циенты формы тока в заданной и классификационной схемах],
чем в трехФазных, rде/ п = 1,1/ в . ер .
Преимущества трехфазной схемы с нулевой точкой проявля
ются в случае, если rлавным требованием является простота
выпрямителя или используется блок трех ВРнтилей с общим
ка10ДОМ.
При применении полупроводниковых вентилей преимущества
имеет мостовая схема, которая может работать непосредственно
ст сети, если наl1ряжение и] подходит по значению для I10луче-
чения нужноrо U d и не требуется изоляция от питающей сети цепи
выпрямленноrо тока.
Шестифазная схема с нулевой точкой в связи с наличием Tpal+
сформатора с двумя вторичными обмотками уступает мостовой
схеме. Однако для выпрямителей на низкое напряжение (около
100 В) и большой ток (500 1000 А) целесообразно применять
шестифазную схему, так как наrрузочный ток в этой схеме
53
проходит через вентиль в течение 1/6 периода, а в трехфазны.
схемах в течение 2/3 периода, следовательно, среднее зна
чение тока вентиля для шестифазной схемы будет в 2 раза мень
ше, чем для трехфазных схем выпрямления.
Зто обстоятельство позволяет уменьшить число установленных
вентилей и получить более высокий кпд выпрямителя (см. 6)
на значительный ток 'dHOM. коrда 'в. ер > 'п 11 В трехфазных
схемах приходится использовать более мощные вентили либо
применять параллельное соединение вентилей в плече выпрями-
теля. Например, при токе наrрузки 'd ном = 210 А, имеющем
прямоуrольную форму, в трехфазной схеме предельный ток BeH
тилей будет равен 'п =1,1.210/3=77А. а в шестифазной 'п =
= 141'210/6=49,4А. Следовательно, для первой схемы выпрямле-
ниЯ- нужно применить вентили на 100. а для вто ой на 50 А.
4. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ ОДНОФАзноrо
И ТРЕХФАзноrо ТОКА
в большинстве практических случаев выпрямители средней и
большой мощности применяются не только для выпрямления пе-
peMeHHoro тока в постоянный, НО должны позволять плавно ре-
rулировать qJеднее значение выпрямленноrо напряжения Ud.
Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения
на наrрузке при изменении напряжения питающей сети или то-
ка наrрузки, а также для реrулирования напряжения Ud для уп
равления частотой вращения двиrателей постоянноrо тока, при
: арядке аккумуляторных батарей и т.П.
При использовании в выпрямителях неу"равляемых вентилей
среднее значение выпрямленноrо напряжения U d , как это видно
из (11), (22) и табл. 1, пропорционалыю напряжению И 2 ф' Ре-
улирование величины Ud в этом случае сводится к изменению
iапряжения И 2 на вторичной стороне трансформатора с помощью
отпаек, что не всеrда удобно и сложно. Более широкое примене-
ние для реrулирования напряжения на наrрузке получил способ,
основанный на управлении во времени моментом отпирания вен-
тилей выпрямителя за интервал проводимости. Он ба:;;1РУется на
Vlспользовании в схеме выпрямителя у п р а в л я е м ы х в е H
т 11 Л е й т и р и с т о р о в, в связи с чем такой выпрямитель
называют у п р а в л я е м ы м.
Однофазные управляемые выпрямители выполняются по схеме
нулевым выводом трансформатора и мостовой схеме. Принцип
действия таких выпрямителей рассмотрим на примере схемы с
нулевым выводом, а для мостовой схемы укажем лишь ее особеt+
ности.
Однофазная нулевая схема управляемоzо выпрямителя изоб-
ражена на рис. 21,а. Она отличается от схемы неуправляемоrо
, '3ырямителяя (см. рис. 16 б) Н:М, ЧТО диоды V1 и V2 заменены
r 'иристорами VC1 и VC2 0
" .1
Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмот-
ки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управле-
ния СУ, которая формирует синхронно с напряжением ut управ-
ляющие импульсы и у 1 И и у 2 И позволяет изменять их фазу от-
чосительно напряжений и2а И и 2 Ь источника питания.
Пусть на входе выпрямителя действует положительная полу-
Ilолна напряжения иl (рис. 21,6), чему соответствуют полярно-
сти напряжений на обмотках трансФорматора, указанные на
рис. 21,а без скобок.
При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод VI
)ТКРЫЛСЯ бы в момент времени to (рис. 21,в), которое является
!lля Hero моментом ecTecTBeHHoro отпирания. Тиристор, как отме-
алось в !i 2, отпирается при наличии положительноrо напряже-
I ия на аноде и отпирающerо импульса на управляющем элек-
троде. На интервале to tl тиристоры VCI, VC2 будут закрыты
A B
t1
Т
и
1
Ud
'!tL
Utt
+ Uza.
а )
С1
l
ict i T1 +
.7
:л;
, wt'
,
о) wt
Uo p та.
е)
21. Однофаэный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
схема включения элементов; 6 и в BpeMeнHble диаrраммы напря-
ий и токов при активной наrруэке
55
и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток тран-
сформатора и2В и и 2Ь : на тиристор VC1 в прямом направ-
лении, а на тиристор VC2 в обратном. Напряжение на выходе
выпрямителя U d = О.
в момент времени t) от системы управления СУ выпрямителя
поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий
импульс и У l' В результате этот вентиль откроется снекоторой
задержкой по отношению к началу положительной волны напря
жения и2В и подключит наrрузку Rd на напряжение вторичной
обмотки трансформатора.
Уrол задержки, отсчитываемый от момента eCTeCТBeHHoro отпи-
рания вентиля, выраженный в rрадусах, называется у r л о м у п-
р а в л е н и я или р е r у л и р о в а н и я и обозначается букво
а. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение U d на HarpY1
ке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой напря
жения и2В' В момент t2 напряжение и2В меняет знак, тиристор
VC1 запирается, в интервале t2 tэ оба вентиля будут закрыты
и ток id в нarрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладьt-
вается обратное напряжение, а к VC2 прямое напряжение, рав-
ное и 2ь , В момент tэ подается отпирающий импульс Lly2 на ти-
ристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момен-
та t4' Далее через интервал, равный уrлу а, вновь вступит в pa
боту тиристор VC1 и т .д.
При работе выпрямителя на активную наrрузку кривая вы-
прямленноrо тока id полностью повторяет форму кривой
напряжения Ud (рис. 21,8 И д). На рис. 21,е построена кривая
обратноrо напряжения LIoбр на тиристоре VC1 дЛЯ случая работы
схемы с уrлом реrулирования а = 600. В интервале to t) к ти-
ристору VC1 приложено прямое напряжение и пр = и2В, В интер-
вале tl t2 тиристор VC1 открыт и падение напряжения на нем
практически равно нулю. В момент t2, коrда ток id равен I:IУл1,
тиристор VC1 закрывается и к не-
Utf, му прикладывается обратное нап
U. ряжение, равное и2В, поскольку
ао тиристор VC2 также закрыт.
0,90 В момент tэ = 1f + а открывается
тиристор VC2 и к Тиристору VC1,
прикладывается напряжение двух
вторичных обмоток Tpaн
0,75
0,60
О, 'f5
0,30
0,15
О
56
1
Рис. 22. Реrулировочные характеристи-
ки однофаэноrо двухполупериодноrо
выпрямитепя:
1 при активной и 2 при актив-
120 150 1800«. но-индуктивной наrруэках
сформатора 2и 2 , которое будет действовать на нем до момента
t4 = 2п, коrда VC2 закроется. В дальнейшем процессы в схеме
будут повторяться через каждый период.
Очевидно, что если изменять уrол а (сдвиrать по фазе управля-
ющие импульсы и у относительно напряжения на анодах тиристо-
ров), то будут изменяться время работы тиристоров и COOTBeт
ственно выпрямленное напряжение, среднее значение KOToporo
будет определяться выражением
1
U d = U dO
+ eosa
2
(34)
rде UdO наибольшее значение выпрямленноrо напряжения при
полностью открытых (а = 00) тиристорах VC1 и VC2, оно мо-
жет быть подсчитано по (11)_
При работе выпрямителя на активную наrрузку и реrулиро-
вании выпрямленноrо напряжения от нуля до U do , как видно из
(З4) , уrол реrулирования а необходимо изменять от а тах =
= 180 О до amiп = О. Действительно, если а = 180 О ,то cos 180-0 =
О О
= 1ИUd=0; при а= О cosO =1и Ud=Udо=О,9U 2 ф,
Следовательно, рабочий режим неуправляемоrо выпрямителя
является предельным, к которому приближается управляемый
выпрямитель при уrле управления а = О. Зависимость напряжения
Ud от уrла а называется ре r у л и р о в о ч н ой ха р а к т е-
D и с Т и к о й управляемоrо выпрямителя. Зависимость Ud =
= I ,. ;эассматриваемой схемы длв случая чисто активной наrруз-
ки представлена кривой 1 на рис. 22.
В отличие от неуправляемоrо выпрямителя, вентили KOToporo
выдерживают только обратное напряжение, вентили управляемо-
ro !lреобразователя должны выдерживать как прямое, так и об-
ратное напряжение. При активной наrрузке максимальное зна-
чение обратноrо напряжения на закрытом в данный полупериод
тиристоре при уrлах а < 900 равно амплитуде напряжения всей
вторичной обмотки трансформатора и (как внеуправляемой
схеме) определяется выражением (14).
Значение прямоrо напряжения и пр на закрытом тиристоре
при а < 900 зависит от уrла реrулирования следующим образом:
и пр = ..[2 U 2 ф sina. (З5)
При а = 900 значение U r1p достиrает максимума. Среднее зна
чение выпрямленноrо тока определяется как 'd' = UdlRd, rде
Ud можно вычислить по (3.4). При уrле реrулирования а = О в
наrрузке будет наибольший ток 'd = Udol R d -
Среднее значение тока через тиристор 'в. ер = O,5'd, действу-
ющее значение тока тиристора 'в.д и вторичной обмотки Tpat+
сформатора '2' а также тока ero первичной обмотки , t при
57
i 1 ............... Т
+
.
v '" и 1 U z itt! Rtt U tt
и,i
а,)
tдt-
о)
...
tдt
"
......".
wt
8)
Utt
wt
е)
lдt
а)
Рис. 23. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель:
a. схема включения элементов; 6 д BpeMeHHl>'ie диаrраммы Ha
пряжений и токов
58
а = о определяются соответственно по (12) и (171. Форма токов
вторичных обмоток трансформатора аналоrична форме токов
тиристоров VC1 и VC2 (см. рис. 21,Z). Первичный ток ;1
(рис. 21,6) имеет паузы на интервалах а. Ero первая rармоника
имеет Фазовый сдвиr в сторону отставания относительно напряже-
ния' питания иl' что при водит к потреблению выпрямителем от се-
ти реактивной мощности (подробнее см. в 6).
Количественные соотношения между друrими величинами для
однофазной. нупевой схемы на управляемых вентилях приведены
в табл. 1.
. Однофазная М'lJстовая. схема на управляемых вентuлях изобра
жена на рис. 23,а. Пусть значения напряжений иl и и2 обмоток
трансформатора Т равны. Для работы TaKoro выпрямителя уп
равляющие импульсы должны подаваться одновременно на два
тиристора, расположенных в противоположных плечах моста.
Пусть, например, в момент времени t 1 (рис. 23,6), определя
емый уrлом а, от системы управления выпрямителя на тиристо-
ры VC1 и VСЗ подаются управляющие импульсы и У1 и и у 2
(рис. 23,в) , вентили открываются и в интервале tl t2 через на-
rрузку Rd протекает ток ;d' в момент t 2 вентили VC1 и VC2
запираются, так как напряжение и2 проходит через нуль. В интер
вале t2 tз к тиристорам VC1 и VСЗ будет приложено обратное
напряжение; равное половине наllряжения и2 вторичной обмотки
трансформатора, а к тиристорам VC2, VC4 прямое напряжение
TaKoro же значения (рис. 23,д) . ,
Далее в момент t 3 подаются управляющие импульсы на следу-
ющую пару тиРисторов VC2, VC4 и они будут работать анало-
rично тиристорам VC1 и VСЗ, но только со смещением по Фазе
на 1800 (интервал tз t4), и т.д.
Кривые выпрямленноrо напряжения Ud и тока ;d однофаз
ной моСтовой схемы на тиристорах (рис. 23;z) аналоrичны COOT
ветствующим кривым для однофазной схемы со средней точкой.
Будут также одинаковыми формы кривых токов через вентиль,
а также кривые токов в первичной и вторичной обмотках TpaH
сформатора Т (рис. 23,6). Максимальное значение Uобр на ти-
ристорах, как и для случая работы схемы на диодах, определяется
амплитудой напряжения и2, а в схеме с нулевым выводом Ha
пряжением 2и2. По указанной причине тиристоры мостовой схе-
мы следует выбирать на напряжение .J2u 2 , Т.е. вдвое меньше,
чем в схеме с нулевой точкой. Электрические параметры рао
смотренной схемы выпрямления приведены в табл. 1.
. Трехфазная нулевая схема С тиристорами изображена на
рис. 24,а. Рассмотрим принцип действия TaKoro выпрямителя для
случая, коrда вторичные обмотки трансформатора соединены в
зиrзаr. Для работы схемы на тиристоры подаются управляющие
импульсы с некоторым смещением во времени (с задержкой на
уrол управления а) по отношению к моменту ecтecтBeнHoro OT
59
пирания диодов в неуправляемом выпрямителе (см. рис. 18,а),
который соответствует точкам пересечения синусоид фазных Ha
пряжений и а , и ь и и с (точки а, б, в и z на рис. 24,в).
Пусть, например, управляющие импупьсы на тиристоры VC7,
VC2, VСЗ подаются в моменты, соответствующие середине пол<r
."
и А t и еу иа. иb
и:
U е ив
и:: о)
II
«-1=900
../
wt
и а2
llJt
Itf.z
wt
wt
а)
Рис. 24. Трехфазный упраВПRемый ВЫПpRмитепь с нупевой точкой:
а схема вкпючени" эпементов; б векторнаА диаrрамма напр"
жений обмоток трансформатора; в в paMeHH.!le диаrраммы токов
и нanpRжений
60
жительных полу волн фазных напряжений (при этом уrол а =
= 600). В этом случае на наrрузке возникают импульсы выпям
ленноrо напряжения Ud в форме четверти синусоиды (рис. 24,z).
Изменение фазы (смещение) управляющих импульсов в сто-
рону увеличения или уменьшения уrла управления а вызывает
соответствующее уменьшение (рис. 24,8) или увеличение
(рис. 24,д) импульсов напряжения Ud. При уrле а = О кривая
выпрямленнorо напряжения (рис. 24,е) будет иметь такую же
форму, как в неуправляемом выпрямителе (рис. 24,8). Очевид-
Но,что кривая тока id по форме будет повторять кривую ВЫПРЯМ-
ленноrо напряжения Ud при работе выпрямителя на активную Ha
rрузку.
Из этих кривых видно, что имеются две характерные области
работы управляемоrо выпрямителя. Первая соответствует изме-
нению уrла реrулирования в пределах О < а < 300, при этом
выпрямленный ток будет непрерывным и среднее значение вы-
прямленноrо напряжения определяется выражением
U d = U dO cosa.
(36)
Каждый тиристор схемы в этом случае работает одну треть
периода. Вторая область соответствует уrлам а > 300 и xapaK
теризуется тем, что при прохождении фазных напряжений через
нуль (точки к, Л, М, Н на рис. 24,z) работающий тиристор закры-
вается, а так как на очередной вступающий в работу тиристор
отпирающий импульс еще не подан, то в кривой выпрямленноrо
напряжения возникают паузы (нулевые участки), в течение кото-
рых ток id = о.
Длительность прохождения тока через вентиль в этом случае
будет меньше Т/3 и среднее значение выпрямленноrо напряжения
рассчитывается по формуле
.jЗ о
U d = 3 U dO [1 + cos(30 + а)). ( 7)
Для трехфазной нулевой схемы при работе на активную наrруэ-
ку предельным уrлом реrулирования, при котором U d = о, яв
ляется уrол а тВХ = 150 О. Напряжение на вентиле определяется
разностью потенциалов анода и общей точки катодов, потенциал
которой изменяется по кривой напряжения Ud- Максимальное зна
чение обратнorо напряжения на тиристоре, так же как в схеме с
неуправляемыми вентилями, равно амплитуде линейноrо напря-
жения U:zn [см_ (24)).
Для устранения в сердечнике трансформатора потока вынуж-
AeHHoro намаrничивания вторичные обмотки соединены в зиrзаr
(рис. 24,а) _ При такой схеме соединения ток фазы вторичной
обмотки обтекает одновременно две полуобмотки, расположен-
ные на соседних стержнях, но только в разных направлениях;
61
.
.
Блаrодаря этому мдс первичной и вторичной обмоток по стерж
ням полностью компенсируются и поток вынужденноrо намаrни-
чивания в сердечнике трансформатора не возникает.
Однако следует отметить, что использование вторичных обl\ll
ток по мощности при этом ухудшаеТСЯ. Это оБЪЯOiяется тем, что
масса меди двух связанных между собой обмоток увеличивается
вдвое, а результирующее напряжение каждой фаз'ы, определя
ющееся rеометрической суммой напряжений двух полуобмоток,
расположенных на разных стержнях и сдвинутых по фазе на 1200
(рис. 24,6), увеличивается только в .;з = 1,73 раза по сравне-
v с Ооласть rx.=.Ю О
В ос,
А
и с
сифу
,..
l'
1 i ct
G>GGG>
+ + + +
QQQQ
Urf.1
QG
GIG
+
IL)
Рис. 25. ТрехфазнаR MOCTOBВR схема на упраВЛRемых веНТИЛRХ:
а соединение элементов; 6 z временн':,е дизrраммы токов и
62
нию С результирующим напряжением при двух обмотках, раз
щенными на одном стержне. Таким образом, вторичное фазное
напряжение в этой схеме будет U 2ф ,зиr = .J3i ...;fU 2ф ,звез =
= 0,87 U 2ф ,звез' и чтобы получ.итьпри соединении вторичных об-
моток в зиrзаr такое же значение выпрямленноrо напряжения Ud,
.как в схеме со вторичной звездой, необходимо увеличить коли-
чество витков вторичных полуобмоток на 13%. В результате ти-
повая мощность трансформатора по сравнению с мощностью трех-
фазной нулевой схемы выпрямления также увеличивается и рав-
на ST = 1,46Pd.
ООJlасть «. =600
«'2
ООJlасть a. 900
0(.3
aQj
, 42 i 4. 4. t 4,
t r . t rG i rG i r2 i r2 i Tt
аПрАжений при различных уrлах реrулированиА а
53
. в трехфазной мостовой схеме с управляемыми вентилями
(рис. 25,а), так же как и с неуправляемыми, одновременно рабо-
тают два тиристора: один из катодной (нечетной) rpYnnbI, дpy
rой из анодной (четной) rpYnnbI, и наrрузка в любой момент вре-
мени присоединяется к двум фазам вторичной обмотки трансфор-
матора. Отпирающие импульсы на тиристоры нечетной rpYnnbI по-
даЮТСА с опережением на 1800 по отношению к тиристорам чет
ной rpynnbI, присоединенным к тем же выводам вторичной обмот
ки, так как первые работают при положительных значениях фаз-
ных напряжений на анодах, вторые при отрицательных на ка-
тодах (рис. 25,6).
Работа рассмат.риваемой схемы выпрямления иллюстрируетСА
диаrраммами MrнoBeHHЫx значений фазных напряжений на тирис-
торах (рис. 25,6); кривыми ВЫПРАмленноrо напряжения Ud
(рис. 25,в), которое получается путем суммирования MrtlOBeH
ных значений напряжений работающих в данный момент венти-
лей; кривыми анодных токов (рис. 25,Z) катодной rpYnnbI
над осью времени, анодной rpYnnbI под осью. Каждая из диаr
рамм построена для трех значений уrлов реrулирования: а. =
= 300, = 600 и аз = 900.
При уrле реrулирования а:= О отпирающие импульсы на тирис-
торы необходимо подавать в моменты, соответствующие точкам
пересечения кривых фазных напряжений (точки а, 6, в и к, Л, м
на рис. 25,6). В этом случае каждый из вентилей проводит ток в
течение Т/3, как в неуправляемой схеме, а чередование пар pa
ботающих тиристоров происходит через 600 (рис. 25,Z) .
Пока уrол рerулирования а <; 600, кривые выпрямленноrо
напряжения, а следовательно, и кривые выпрямленноrо тока
id (рис. 25,в и z) при активной наrрузке непрерывны. Для этоrо
режима (о а 600) среднее значение выпрямленноrо напря-
жения определяется выражением (36). Как видно из рис. 25,z,
через вступающий в работу тиристор катодной rpYnnbI ток может
проходить только при условии, если одновременно открывается
или уже открыт соответствующий (смежный по порядковому но-
меру) тиристор анодной rpYnnbI. В противном случае цепь тока
id не будет замкнута и очередной вступающий в работу тиристор
не откроется.
Уrол а = 60 о соответствует при активной наrрузке r р а н и ч-
н о - н е n р еры в н о м у р е ж и м у. При уrлах а > 600 и ак-
тивной наrрузке в кривых напряжения Ud и тока id появляеТСА
интервал с нулевым значением, т.е. наступает режим работы BЫ
прямителя с n р еры в и с т ы м в ы n р я м л е н н ы м т о к ом.
Следует отметить, что для обеспечения работы данной схемы
. в режиме с прерывистым током, а также для первоначальноrо ее
запуска на управляющие :тектроды тиристоров спедует подавать
либо одиночные импульсы шириной больше 600, или сдвоенные
64
узкие отпирающие импульсы с интервалом между ними в 600
(рис. 25.6 при аз = 900).
Схема управления выпрямителем должна быть построена так.
чтобы при подаче отпирающеrо импульса на вступающий в работу
тиристор одноrо плеча моста одновременно осуществлялась бы
подача импульса на управляющий электрод тиристора отстающей
фазы противоположноrо плеча моста. Например. при работе вы-
прямителя с а = 900 (рис. 25.6) . для Toro чтобы открыть тирис-
тор VC1. в момент t 1 необходимо одновременно подать отпира-
ющий импульс и на тиристор VСб. после чеrо оба вентиля будут
проводить ток до момента t2. коrда разность MrHoBeHHbIx значе-
ний напряжений и2а И и 2 Ь будет равна нулю и тиристоры VC1 и
VСб закроются. 3атем в момент t з должен вступить в работу ти-
ристор VC2. который откроется только при условии наличия
nOBTopHoro отпирающеrо импульса на тиристоре VC1 или при
условии. что на управляющий электрод этоrо тиристора в момент
t 1 будет подан импульс длительностью больше 600. Тиристоры
VC2 и VC1 будут про водить ток до момента t 4. далее вступит в
работу следующая пара тиристоров VСЗ и VC2 и т .д.
Среднее значение выпрямленноrо напряжения. коrда ток id
прерывистый (а > 600). определяется выражением
U d = U dO [1 + cos (60 + а)].
(38)
Из (38) следует. что при работе данной схемы на активную на.
rрузку предельным уrлом еrулирования. при котором U d = О.
является уrол а тах = 120 .
Учет влияния параметров вентилей и трансформатора на работу
выпрямителя. -Вначале рассмотрения работы схем выпрямления
было сделано ДQ/lущение. что в выпрямителях используются иде-
альные вентили и трансформаторы. В действительности вентили
имеют некоторое сопротивление r B в прямом направлении. а
обмотки трансформаторов обладают активным сопротивпением
rl и r2. поэтому при наrрузке выпрямителя током 'd возникает
падение напряжения в этих сопротивлениях. и напряжение U d на
выхЬде будет меньше. чем напряжение U dO при холостом ходе
выпрямителя: U d = U dO l:1U d . rде l:1U d = 'в (Ш в + я т )
внутреннее падение напряжения в вентилях 'BnrB и активная
составляющая падения напряжения в обмотках трансформатора
'впЯ т ,
Внутреннее падение напряжения l:1U B = 'BnrB в одном плече
выпрямителя. содеDжащем п последовательно соединенных
вентилей. практически не зависит от тока 'в и принимается рав-
ным прямому падению напряжения l:1Unp.HOM при 'пр,НОМ'
Т.е. l:1U np = nl:1 ипр,ном'
Результирующее активное сопротивление первичной и вторич-
ной обмоток трансформатора. Ом. приведенное к виткам вто-
65
ричной обмотки,
Н Т = r2 +rl Wl/W2 = r K /n 2 ,
(39)
rде п коэффициент трансформации; Wl и W2 число витков
обмоток трансформатора; сопротивление r к определяется по
форму ле
2"
r K = APK/(тT/IHOM)' (40)
rде АР к потери KopoTKoro замыкания (К3), Вт; 1 1HOM но-
минальный ток первичной обмотки, А; т т число фаз трансфор-
матора.
Учет параметров вентилей и трансформатора производят при
расчете выпрямителей малой мощности, необходимое значение
напряжения U 2 ф которых вычисляется по формуле
U 2 ф = kCI< (U dHOM + AU d ),
(411
rде U d НОМ заданное значение напряжения на выходе выпрями-
теля при номинальном токе; kCI< коэффициент схемы выпрям-
ления, равный отношению U2фiUdО, по которому можно опре-
делить необходимое значение подаваемоrо на вентильные элемен-
ты напряжения U 2ф .при известном среднем значении выпрямлеtt-
нorо напряжения U dO (берется из табл. 1) .
5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА НАrРУзкУ РАзличноrо
ХАРАКТЕРА
Выше была рассмотрена работа различных схем выпрямления
с неуправляемыми и управляемыми вентилями на наrрузку с
чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с
чисто активной наrрузкой для силовых выпрямителей часто
встречается смешанная активно-индуктивная наrрузка и наrрузка
на встречную эдс. Примерами таких наrрузок являются обмотки
возбуждения электрических машин и втяrивающие катушки
электроаппаратов, а также любые друrие .'-hектроприемники,
питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом ко-
Toporo служит индуктивная катушка. Случаям наrрузки на
встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь дви-
rателя nOCTORHHoro тока, а также при зарядке от выпрямителя
аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн.
В больш нстве случаев в цепь наrрузки выпрямителей средней
и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротив-
ление (якорь двиrателя, сопротивление обмоток силовоrо Tpatt-
сформатора и ДР.), которые сочетаются с последовательным
включением индуктивности, присущей самой наrрузке или ДО-
66
полнительно включаемой для лучшеrо сrлаживания потребляемо-
ro тока.
Работа выпрямителя на активно-индуктивную наrрузку. Работа
выпрямителя на активно-индуктивную наrрузку (рис. 26,а) от-
личается от работы на чисто активную наrрузку тем, что ток в це-
пи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, на-
растает медленнее, чем происходит увеличение напряжения и2.
Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи наrрузки, ко-
торая является в электрической цепи инерционным элементом,
препятствующим резкому изменению тока id. Korдa напряжение
вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в на-
rрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепен-
но спадать за счет энерrии, запасенной' в индуктивности
(рис. 26,6).
Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение
некоторой части отрицательноrо полу периода вторичноrо напря
жения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей
в индуктивности Ld при уменьшении тока наrрузки, которая
VD
Ld.
иа.
iS= irt )
Rrt
а,)
wt
5)
о
fl)t;
'Ud.
8)
Рис. 26. Однопопупериодное
наrрузке:
а схема вклю ния;
эпементах
выпрямление при 8КТИВН Индуктивной
б и в кривые напряжений и токов на
67
компенсирует отрицательное налряжение и2 и падение напряжения
Аи в в цепи выпрямления.
Общая продолжительность л протекания тока через вентиль
VD зависит от значения индуктивности Ld, с увеличением кото-
рой возрастает длительность протекания тока i d " Среднее значе-
ние выпрямленноrо напряжения на активно-индуктивной наrруз-
ке U d R L однополупериодноrо выпрямителя будет меньше,
чем напряжение U dR при активной наrрузке, так как при wt > тr
напряжение Ud отрицательно (рис. 26,6) "
Пульсации тока id в наrрузке не уменьшаются даже при зна-
чительном увеличении индуктивности Ld, так как ток i B всеrда
меняется от нуля до I в тах' Вследствие зтоrо в однополупериод'
ных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве
фильтра (см. 6).
При двухпопупериодном выпрямлении (рис. 27,а) в отличие
от чисто активной нarрузки ток id EI цепи L d , Rd становится бо-
лее сrлаженным (рис. 27,6). Действительно, ток i B1 в вентиле
а V1
=l
i 81 = itt
Rrf. Lrf.. +
Ud. id.
i S2 == id
О V2 а)
и 2 а.
Ict
О UJt
о)
шt
З7Т:
Id
8) blt
о
Рис. 27. Двухпопупермодное ВЫПРАмneние пр'" активно-индуктивной
наrруэке:
/J схема ВКЛlOЧеН"'А; б и в кр",вые напpRЖений и токов в элементах
68
VI к концу положительноrо полупериода под воздеЙСТвием ин-
дуктивности не спадет до НУЛА, а в момент wt = 1т ток наrрузки
переходит к вентилю V2, так как потенциал анода V2 становит-
СА выше потенциала анода vi (см. рис. 16,6). Указанный пере-
ход тока происходит MrHoBeHHo, так как в анодных цеПАХ венти-
лей VI и V2 нет индуктивностей. В следующий попупериод,
KorAa и2а будет ОПАТЬ положительно, ток ;d снова переходит к
вентилю VI (рис. 27,в).
Ток наrрузки ;d предстаВЛАет собой пульсирующий BbInpRМo
ленный ток, который кроме ПОСТОАННОЙ состаВЛАющей Id имеет
и переменную состаВЛАЮЩУЮ 'd"" Форма ВЫПРАмленноrо тока
будет зависеть от индуктивности L d , уrловой частоты пере-
менной состаВЛАющей ВЫПРАмленноrо наПРАжеНИА w и сопро-
тивлеНИА Rd. При достаточно большом значении Ld (например,
wLdlRd > 5) пульсации тока ;d состаВЛАЮТ Bcero несколько
процентов среднеrо значения ВЫПРАмленноrо тока 'd, и без
большой поrрешности можно считать, что wL d о<> или Ld =
= 0<>, т.е. криваА тока ;d стаНОВИТСА идеально сrлаженной.
ВЫПРАмленное наПРАжение Ud на выходе ВЫПРАмитеЛR, Т.е.
наПРАжение на зажимах всей цепи RL наrрузки, и обратное
наПРАжение на вентиле будут иметь такую же форму, как при ра-
боте схемы на активную наrрузку. Это оБЪАСНАеТСА тем, что п
реход тока с oAHoro венТИЛА на друrой происходит в та же момен-
ты, что и в случае работы схемы без индуктивности Ld'
ВЛИАние индуктивности в цепи наrрузки сказываеТСА на дей-
ствующих значеНИАХ токов, протекающих в венТИЛАХ и обмотках
(le,'2 и '1), а также на типовой мощности трансформатора
ST. Количественные соотношеНИА между токами и наПРАженИАМИ
в элементах ВЫПРАмитеЛА, а также типоваА мощность трансфор-
матора ДЛА различных схем ВЫПРАмлеНИА с неупраВЛАемыми вен-
ТИЛАМи при L d = о<> приведены в табл. 1.
Процессы в схеме упраВЛАемоrо ВЫ!lРАмитеЛА при работе ero
на активно-индуктивную наrрузку отличаЮТСА от процессов при
работе схемы .на активную наrрузку. Пусть однофазнаА мостоваА
схема (рис. 28,8) работает с идеально сrлаженным током ;d(L d =
= 0<», TorAa тиристоры VCI и vсз, вступив в работу в момент
времени tl (рис. 28,6), не заКРОЮТСА в момент прохождеНИА фаз-
Horo наПРАженИА и2 через нуль (момент t2 ), как это было при
чисто активной наrрузке, а будут проводить ток при отрицатель-
ном наПРАжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут
поданы упраВЛАющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент
tз). TorAa эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры
VCI, VСЗ выключаЮТСА. Вентили VСЗ, VC4 будут проводить ток,
пока снова не будут поданы упраВЛАющие импульсы на венти-
ли VCI, VСЗ (момент t s ) ,и т .д.
Длитепьность протекаНИА тока через каждую пару тиристоров
остаеlСА равной 1800. При wL d = о<> ток ;d в цепи наrрузки
69
.1.
идеально сrлажен, а токи вентилей имеют форму лрямоуrольных
имлульсов с амллитудой, равной Id.
В кривой вылрямленноrо налряжения Ud в интервалах времени
О tl' t2 tз И т.д. лоявляются участки отрицательноrо налря
жения, коrда ток через тиристор и наrрузку лроходит лод дей-
ствием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld'
La.
VCJ+
t id
Rrf.
о
а)
Utt
wt
о)
I
I
1. .
trf tT;J
111111111111 1111
8)
Ur/..
flJt
.. лr
z)
Рис. 28. Работа УПрвВПRемоrо однофазноrо MOCToBoro ВЫПРR...t'lТf" на
активно-индуктивную наrрузку
70
Это вызывает снижение среднеrо значения выпрямленноrо наПРFr
жения Ud- Очевидно, что с ростом уrла а площадь отрицательных
участков увеличивается, а значение U d будет уменьшаться. Cpeд
нее значение выпрямленноrо напряжения в этом случае может
быть определено для Bcero диапазона изменения уrла а по следу-
ющей формуле:
U d = U dO cosa.
(42)
Выражение (42) справедливо д л я в с е х у п р а в л я е м ы х
с х е м при работе выпРямителя со сrлаженным (непрерывным)
током. Предельным уrлом реrулирования, при котором в BЫ
прямпенном напряжении Ud положительные и отрицательные
участки равны между собой и постоянная составляющая OTCYTCT
вует, Т.е. Ud = О, является уrол а = rr/2.
Реrулировочные характеристики однофазных выпрямителей
для активно-индуктивной наrрузки заВИСfJТ от соотношения
wLdlRd и показаны на рис. 25.
Если отношение WLdlRd < 5, то энерrии, запасенной в индук
тивности Ld на интервале, коrда U d > О, оказывается недоста-
точно для обеспечения протекания тока id в течение половины
периода, \11 вентиль, проводящий этот ТОК, выключится раньше,
чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку
работы вентиль, т.е. раньше момента, определяемоrо уrлом а.
Такой режим работы схемы при активно-индуктивной наrрузке
называется режимом с прерывистым выпрямленным током
(рис. 2B,z) _
Среднее значение выпрямленноrо напряжения в режиме с пре-
рывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным
током при одинаковых значениях уrла а, блаrодаря уменьшению
отрицательных участков в кривой U d , но меньше, чем при работе
управляемоrо выпрямителя на активную наrрузку, коrда ОТрИ--
цательных участков нет. Поэтому в режимах с прерывистым то-
ком реrулировочные характеристики двухполупериодноrо выпря
мителя будут находиты:я между кривыми 1 и 2 в заштриховаl+
ной области, указанной на рис. 22.
Очевидно, что чем больше уrол а, тем больше должна быть Иl+
дуКтивность Ld, чтобы обеспечить режим работы схемы с непре-
рывным током id. При прерывистом токе трансформатор и Bel+
тили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при од-
ном и том же срелнем значении выпрямленноrо тока, определя-
емом наrрузкой, действующее значение токов в элементах схемы
увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с
широким диапазоном изменения уrла а, индуктивность L d обыч
но выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрям-
ленноrо.тока при уrле реrулирования а = а тВХ -
71
,
\
\
\
Работа выпрямителя на наrрузку с противо-ЗДС_ Такой вид
наtрузки встречается при питании от выпрямителей аккумулято-
ров, электродвиrателей, мощных конденсаторов и др_ Особен
ность работы выпрямителя в этом случае состоит в том, что Ta
Koro рода потребители имеют собственную здс Ев, которая нап-
равлена навстречу напряжению U d выпрямителя.
На рис. 29,а представлена схема однофазноrо двухполупериод
Horo выпрямителя, который наrружен на якорь двиrатеЛА по-
стоянноrо тока с противо-ЗДС Ев. Рассмотрим работу схемы
без индуктивности Ld (ключ К замкнут) _ Ток через вентили
схемы может проходить лишь в те положительные части периодов,
коrда ВЫr!рямленное напряжение U d будет больше Ев- Например,
вентиль V1 откроется в момент t 1 И закроется в момент t 2
(рис_ 29,6), вентиль V2 вступит в работу в следующий полупе-
риод и будет проводить ток в интервале времени tз t4- Кри-
вая выпрямленноrо тока id имеет прерывистый (импульсный)
характер, а значение ero можно выразить следующей формулой,
приняв за начало отсчета максимум выпрямленноrо напряжения:
.
Ud Ев
id =
Rd
(43)
rде сопротивление Rd в данном случае равно сумме сопротивле-
ний r дв и R T -
Очевидно, что интервал ПрЩlOдимости вентилей л будет зави-
сеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки
трансформатора и 2 m = Ф и 2 И значения Ев-
С ростом Ев пульсации тока i B вырастают, так как уменьшает
ся длительность л работы вентилей в течение каждоrо полуперио-
да (рис. 29,z) _ Зто при водит к тому, что ilрИ равных средних
значениях токов 'в, ер' протекающих через ве.нтипь, отношения
/в mb)(-//d И /2/18, ер возрастают, что свидетельствует .об yxyд
шении использования вентилей по току и увеличении тепловых
потерь в обмотках трансформатора с ростом Ев-
Чтобы выпрямленный ток был непрерывным, необходимо
включать в цепь наrрузки индуктивность Ld (ключ К на
рис_ 29,а разомкнут) , которая соответствует неравенству
wLd ;;.. 5Rd' и среднее значение выпрямленноrо напряжения
U d должно быть больше противо-ЗДС Ев-
При выполнении nepBoro условия MrHoBeHHoe и среднее значе-
ния выпрямленноrо тока совпадают (i d = 'd)' а переменная со-
ставляющая выпрямленноrо напряжения 8ыделяется в виде паде-
ния напряжения на дросселе L d- Если не выполнить BToporo ус-
ловия, то ток id станет прерывистым даже при большой индук
тивности дросселя Ld, так как тиристоры будут проводить ток
только при условии и2 > Ев-
72
Таким образом, при включении в цепь наrрузки индуктивности
Ld пульсация выпрямленноrо тока уменьшается и при wL d
5Rd становится равной нулю (вся пульсация напряжения
Ud оказывается приложенной к ИНДУКТИВrlОСТИ L d ). в этом слу
чае среднее значение выпрямленноrо тока определяется COOT
ношением
т
V1
...............
i z = i S1
+
Rrt
irf.
Ud
vz
i 2 = i ez
а)
wt
о)
i B2
Iа.
О blt
8)
I втах
[а.2
Irf.
wt
с)
Рис. 29. Работа неуправляемоrо однофазноrо выпрямителя на проти-
во-ЭДС:
а схема включения; б z кривые напряжений и токов на элементах
73
U d Ев
'd =
Rd
(44)
При известных средних значениях выпрямленноrо тока 'd
и напряжения Ud параметры вентилей 'В, ер, 'в,Д И Uобр твх,
трансформатора '2, и 2 ,'1 И ST дЛЯ различных схем выпрямите-
лей, работающих на наrрузку с противо-ЭДС при непрерывном то-
ке, определяются такими же соотношениями, как и в ранее pa
зобранных случаях работы выпрямителей на активно-индукти&
ную наrрузку (см. табл. 1) .
Коммутация тока в силовых схемах выпрямления. При рас-
смотрении работы маломощных выпрямителей обычно учитыва-
ют только активные сопротивления обмоток трансформатора,
а индуктивными сопротивлениями, создаваемыми потоками рас-
сеяния в маrнитной системе, обычно пренебреrают. Такое допу-
щение давало возможность считать, что выпрямленный ток пере-
ходит с одноrо вентиля на друrой MrHoBeHHo. Этот процесс перек-
лючения вентилей мноrофазноrо выпрямителя называется к о м-
м у т а Ц и е й т о к а.
В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток
трансформатора оказывают значительное влияние на работу схе-
мы, изменяя значение и форму кривой выпрямленноrо напряже-
ния, токов вентиля и обмоток трансформатора. Процесс нараста-
ния тока во вступающем в работу и спад тока в выходящем из
работы вентилях в этом случае происходит за конечный интервал
времени. В то же время влиянием активных сопротивлений обмо-
ток трансформатора и падением напряжения в вентилях нередко
можно пренебречь, так как обмотки и их соединения выпол-
Н!'IЮТСЯ проводом большоrо сечения.
В расчетах обычно пользуются суммарной для каждой фазы ин-
дуктивностью рассеяния L B , приведенной ко вторичной обмотке
трансформатора, значение которой определяется по индуктивно-
му сопротивлению обмоток, рассчитываемому по формуле
UKUIHOM
Х Т = wL a = 2 '
100/ IHOM п
rде и к напряжение К3 трансформатора, %; U 1HOM ' 'lНОМ
номинальные значения напряжения, В, и тока фазы, А, первич
ной обмотки; п UIHOMIU2HOM коэффициент трансформа-
ции трансформатора.
Рассмотрим процесс коммутации и ero влияние на работу
выпрямителя на примере трехфазной схемы с нулевым выво-
ДОМ. Наrрузка принимается активно-индуктивная (рис. ЗQ,а).
Приведенные индуктивности L B 1, L Ь2 И Lc 3 обмоток тран-
сформатора включены в анодные цепи тиристоров VC1 VC3,
а в цепи наrрузки имеется значительная индуктивность Ld и
(45)
74
La.1
lLZ/t e L1 t T . VC1
LhZ К
О
U z " e LZ t TZ VC2
L сз
...............
U Zc i тз VC3'
Rrt Ld,
...............Irt
Ud
u 1/2 (UZa.+ UZ b ) а)
lLZ b UZ c
о
wt
i
о)
rut
о
(r)t;
8)
Рис. 30. Работа трехфазноrо УПР8впяемоrо выпрямителя с учетом комму.
тации тока в l'IеНТI4ЛЯХ:
в схема включения элементов; 6 и в временные диаrр8ммы на-
пряжений и токов
75
ВblпрямлеННblЙ ток id можно считать идеально сrлажеННblМ.
Наличие в фазах вторичной обмотки трансформатора индук
тивности La приводит к тому, что переход roка Id от о.дноrо
вентиля к друrому происходит не MrHoBeHHo, а в течение неко-
Toporo промежутка времени, КОТОРblЙ наЗblвается у r л о м
к о м м у т а Ц и и и обозначается буквой 1.
Пусть в интервале t l t 2 (рис.30,б) работает вентиль VC1.
В момент t2, т.е. с задержкой на уrол а, ОТКРblвается вентиль
VC2 и начинается процесс коммутации тока с тиристора VC7 на
VC2 (рис. 30, в) , в течение KOToporo оба вентиля будут OTKPblTbI
И про водят ток в наrрузку одновременно, а две ВТОРИЧНblе об.
мотки трансформатора (а и Ы окаЗblваются заМКНУТblМИ через
них накоротко. При этом к напряжению фаЗbl а будет доба&
ляться наводимая в индуктивности La I эдс самоиндукции
e L l' задерживая спад тока i T1 , а из напряжения фаЗbl Ь будет
Вblчитаться эдс e L 2' препятствуя росту тока i T2 . Поскольку
при Ld = 00 значение тока Id все время постоянно, то ВblПрЯМ-
леННblЙ ток id в момент коммутации остается неизмеННblМ и бу
дет равен сумме токов двух соседних вентилей: id = 'd =
=i T1 + i T2 .
Такой процесс будет продолжаться до момента tз, коrда
ток i T1 уменьшится до нуля и тиристор VC1 закроется, а ток
в тиристоре VC2 возрастет до i T2 = 'd.
Результирующие напряжения фаз а и Ь за период коммутации
будут.одинаКОВbI, так как обе обмотки имеют общие потенциа-
Лbl в нулевой точке и у катодов вентилей К (рис. 30,а) , а зна-
чение их определяется полусуммой MrHoBeHHblx значений фаз-
HblX напряжений, так как оно действует в короткозамкнутом
контуре, состоящем из тиристоров VC1 и VC2, двух последо-
вательно соединеННblХ ВТОРИЧНblХ обмоток трансформатора
с CYMMapHblM напряжением и к = 2и2 И сопротивлений Ха I +
+ ХЬ2. Если считать, что Ха I = ХЬ2' ТО К каждому из этих со-
противлений приклаДblвается напряжение (1/2)и к = и2. это
напряжение приклаДblвается и к наrрузке RdLd, так как эта
цепочка подключена параллельно контуру коммутации. Следова-
тельно, напряжение Ud в период коммутации вентилей VC1 и
VC2 равно полусумме ФдЗНblХ напряжений и2а И и 2 ь, т.е.
Ud = О,5(и2а + и 2 ь),
(46)
и изменяется по кривой, показанной на рис. 30,б пунктирной
черной линией. Коrда коммутация закончится, напряжение Ud
скачком изменится до фазноrо напряжения той обмотки тран-
сформатора, к которой присоединен работающий вентиль, и дa
лее будет оставаться paBHblM ему до начала очередной KOMMYTa
ции на следующий вентиль. В результате кривая Вblпрямленноrо
76
напряжения, показанная жирной черной линией, будет отличать
ся от ранее полученной кривой Ud для идеализированноrо выпря-
мителя с мrновенной коммутацией (см. рис. 24,д) наличием в
интервалах коммутации участков с меньшим напряжением.
Очевидно, это приведет к некоторому снижению среднеrо зна-
чения выпрямленноrо напряжения на величину, которая назы-
вается индуктивным падением напряжения (на рис. 30,6 оно
соответствует заштрихованным вольт-секундным площадкам) и
определяется следующим образом:
Хтт
='d
Из (47) следует, что индуктивное падение напряжения прямо
пропорционально току наrрузки 'd, индуктивному сопротивле-
нию Х Т обмоток трансформатора, числу фаз т схемы выпрям-
ления (числу коммутационных процессов за период) и не зави-
сит от уrла реrулирования а.
д.и х
(47)
Среднее значение выпрямленноrо напряжения на наrрузке управля-
емorо выпрямителя при токе 'd определяется выражением
Хтт
U d = U do cosa 'd .
2п
(48)
Выражение для U d неуправляемых выпрямителей с учетом коммута-
ции Mory1 быть получены из формулы (48). если положить в ней а = о.
Уrол коммутации 'Уо неуправляемоrо выпрямителя при Ld = 00 и
уrле а=о может быть определен из выражения
( ХТ 'd )
'Уо = arccos 1 .
v'2 ф sin П/m т
(491
rде тT число фаз вторичной обмотки трансформатора.
В управляемых выпрямителях с ростом уrла а уrол комм\ тации 'У
уменьшается. так как с увеличением у...ла а растет напряжение и к . что
ускоряет процесс коммутации тока с одно",о тиристора на дру...ой.
Следует отметить, что длительность протекания тока в вентилях по
сравнению с в идеализированной схеме (L a = о) увеличивается на
у...ол 'У и становится равной = 2 (П/m ) + 'У. Появпение коммутацион-
ных участков в выпрямленном напряжении Ud приводит к изменению
е...о ...армоническо",о состава (на 5-----8% при у...лах а П/6). а также вл"-
яет на ...армонический состав и форму кривой первично",о тока ;1. потре6-
ляемоrо выпрямителем. Основная ...армоника тока ; 1 имеет фазовый
едв....., отстающий относитепьно напряжения иl на у...ол ор = а + 'Y/2, что
несколько ухудшеет коЭФФициент мощности установки.
Таким образом, коммутация тока вентилей уменьшает вы-
прямленное напряжение, увеличивает ero пульсацию и время ра-
боты вентиля (фазы). Увеличение длительности работы фазы
несколько уменьшает действующее значение тока фазы и вент...
71
ля, поэтому при расчете токов в элементах выпрямителя (напр",.
мер, 'В, '2, '1) перекрытие фаз можно не учитывать и пользо-
ваться соотношениями табл. 1.
Инвертирование тока. Инвертированием называется процесс
преобразования энерrии постоянноrо тока в энерrию переменно-
ro тока, т.е. процесс, обратный выпрямлению. При выпрямле-
нии тока электрическая энерrия передается из сети nepeMeHHoro
тока к потребителю постоянноrо тока, а при инвертировании по-
ток энерrии направлен от источника постоянноrо тока в сеть пе-
peMeHHoro тока.
Инвертирование тока применяется для преобразования энер
rии постоянноrо тока в энерrию nepeMeHHoro тока в ЛИНИЯХ
электропередачи постоянноrо тока, рекуперативнorо тормо-
жения двиrателей постоянноrо тока, питаемых от управля-
емых выпрямителей, преобразования промышленной частоты и
в друrих случаях.
Выходным звеном инвертора, работающеrо на сеть перемен-
Horo тока, является трансформатор, параметры KOToporo (число
витков и количество обмоток) определяют значение и число фаз
получаемоrо nepeMeHHoro напряжения (тока). Для получения
nepeMeHHoro тока в обмотках трансформатора, подключенноrо
к источнику постоянноrо тока, необходимо обеспечить периоди-
ческий переход тока из одной обмотки в друrую. Это достиrает-
ся путем прерывания постоянноrо тока и распределения ero по
фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.
Изменение направления потока энерrии требует изменения
знака мощности P d = Ud 'd, развиваемой выпрямителем, что
может быть достиrнуто путем изменения направления тока
'd или напряжения Ud. Но выпрямленный ток не может изме-
нить cBoero направления относительно зажимов выпрямителя
вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому
изменение знака мощности можно осуществить только за счет
изменения знака среднеrо значения выпрямленноrо напряжения,
что достиrается в управляемом выпрямителе увеличением уrла
управления а > 90 о .
Переход от выпрямительноrо режима к инверторному рас-
смотрим на примере управляемоrо выпрямителя, собранноrо
по двухполупериодной схеме на тиристорах VC1, VC2
(рис. 31,а), система управления которыми позволяет изменять
уrол от О до 1800. В качестве наrрузки к выпрямителю подклю-
чены: аккумуляторная батарея, являющаяся источником инвер-
тируемой энерrии и имеющая ЭДС Ев; резистор Rd и дроссель
Ld, осуществляющий сrлаживание входноrо тока инвертора.
Такой управляемый выпрямитель, способный осуществлять ин-
вертирование тока, называют и н в е р т о ром. Допустим, что
элементы схемы lI\деальные, а внутреннее сопротивление бата-
реи равно нулю.
78
Пусть a 1 = 600, вывод "плюс" батареи соединен с точкой
связи катодов тиристоров VC1, VC2 и среднее значение выпрям-
ленноrо напряжения UdB = UdO cosa 1 > Ев. Схема работает
выпрямителем на батарею, ЭДС Ев которой иrрает роль прот
водействующеrо напряжения, так как направлена против прово-
димости тиристоров, Т.е. имеет отрицательный знак ( EB) и для
удобства rрафическоrо сравнения с выпрямленным напряжен
ем UdB на рис. 31,6 отложена над осью абсцисс. В этом случае
имеет место процесс выпрямления, Т.е. передачи мощности от
сети nepeMeHHoro тока в аккумуляторную батарею, так как Kor-
у и1 ?
т
Rrt
uZ tL uZb
/l Ud8P ь Id.
VC2 U d Еа
IU dи ( ) 11
/l)
а)
а)
Рис. 31. Работа однофаэноrо упраВЛRемоrо преобраэоватеЛR в ВЫПpRми-
тельном и инверторном режимах:
в схема включеНИR эпементов; 6 д временные диаrраммы, иллюстри-
рующие пераход от ВЫПpRмлеНИR тока к инвертированию
79
да и2 > О И уrол а} = 600, напряжение UdB превышает ПРОТИ-
во-ЭДС Ев,
Если индуктивность Ld = 0:>, то ток id = 'о продолжает
протекать по цепи и в последующем интервале времени, коrда
и2 < О за счет ЭДС самоиндукции e L , возникающей в индук
тивности Ld (момент п t2 дЛЯ VC1 и т.д.).
Аккумуляторная батарея будет подзаряжаться выпрямлен-
ным током i d , среднее значение KOToporo определяется как
'dB = (U dB Ев) 1Rd'
(50)
Если постепенно увеличивать уrол а > а}, то будут умень-
шаться напряжение U dB и ток 'd' При а2 = 900 среднее значение
выпрямленноrо напряжения U dB = О (рис. 31,в) и преобразова
тель потребляет из сети только реактивную мощность, так как
постоянная составляющая выпрямленнorо тока будет равна
нулю.
Для перехода к инверторному режиму необходимо переклю-
чить батарею так, чтобы катоды тиристоров были соединены с
выводом "минус", а нулевая точка трансформатора через дрос.
сель Ld с выводом "плюс", и одновременно увеличить уrол
управления а до значений, превышающих 900. При этом тири-
сторы VC1 и VC2 открываются и проводят ток в основном
при отрицательных напряжениях и2В и и 2 Ь (рис. 31,z) под
воздействием положительной ЭДС Ев, подаваемой от батареи
через наrрузку Rd и вторичные обмотки трансформатора на ано-
ды тиристоров. о
При уrле аз > 90 используются участки синусоид и2В и
и 2 Ь' соответствующие преимущественно отрицательным полу
волнам напряжения и2' поэтому среднее напряжение преобразо-
вателя становится отрицательным, U dи = U dO сosаэ < О. Если
он(\ будет меньше ЭДС Еа, то через наrрузку Rd, L.d будет про-
текать ток id прежнеrо направления, среднее значение которо-
ro будет определяться теперь выражением
'dи = (Ев U dи ) 1Rd'
(51)
Батарея работает reHepaтopoM на сеть nepeMeнHoro тока, а
напряжение преобразователя U d иrрает роль встречной ЭДС
по отношению к Ев. При таком режиме работы тиристоры ocy
ществляют поочередное подключение вторичных обмоток TpaH
сформатора Т через дроссель L d к источнику постояннorо то-
ка, блаrодаря чему достиrаются преобразование постояннorо
тока id в переменный i l и передача энерrии от аккумуляторной
батареи в сеть.
Среднее значение отрицательноrо напряжения U dи будет тем
больше, чем больше уrол а приближается к 1800. При анализе
80
инверторноrо режима обычно уrол управления принято отсчи-
тывать влево от моментов ecTecTBeHHoro закрывания тиристоров
(п, 2п и т.д.). Уrол управления, отсчитываемый по такому прин-
ципу, называют у r л о м о пер е ж е н и я о т пир а н и я и
обозначают буквой 13 (рис. 31,Z). с уrлом задержки отпирания
а он связан соотношением 13 = п а или а + 13 = п. Среднее
значение напряжения инвертора при уrле опережения 13 опреде-
ляется следующим выражением:
U dи = U do cos (п (3) = Udo cosl3,
(52)
rAe UdO напряжение инвертора при 13 = о, равное напряжению
выпрямителя при а = О.
Необходимо отметить, если в выпрямительном режиме воз
можна работа с уrлами amiп = 00, ТО В инверторном режиме
уrол I3miп BcerAa должен быть больше 00. Это связано с тем,
что тиристору после отключения необходимо определенное
время для восстановления запирающих свойств. В течение зто-
ro отрезка времени, измеряемоrо yr лом Б, который составляет
примерно 4-----8 О, или 1/100----1/50 длительности периода при час-
тоте 50 r ц, анодное напряжение тиристора должно быть отри-
цательным (обратным).
Обратное напряжение на закрытом тиристоре, как было пока-
зано при рассмотрении схем выпрямления в 3, равно разно-
сти напряжений двух соседних фаз. По кривым напряжений
и2В и и 2 Ь на рис. 31,в----д можно установить, что с увеличением
уrла а > 900 напряжение на выключающемся из работы тири-
сторе уменьшается. Так, для тиристора VC1 напряжение и ак ,
равное разности ординат напряжений и2В и 2 ь, после закры-
тия вентиля в момент wt 2 при работе преобразователя с уrлом
й2 = 900 равно отрицательной ординате Uба, с уrлом а) =
= 1200 равно ординате UrB (эти ординаты показаны на
рис. 31,8 и Z пунктирной зеленой линией). .
При уrле управления а = 1800 или 13 = о это напряжение
становится равным нулю и далее положительным, что является
недопустимым. Если очередной тиристор открывать при а =
= 1800, а закрывающийся тиристор за уrол I3miп не восстановит
свои управляющие свойства, то в момент wt = п он останется
в открытом состоянии и будет пропускать ток под воздействием
суммы наrtряжений и2В и Ев. Это явление приводит к К3 цепей
nepeMeHHOf"O и постояннOf"О напряжений (аварийный режим)
или, как rоворят, к о про к и Д ы в а н и ю (п р о рыв у)
и н в е р т о р а, так как одновременно будут работать оба
тиристора (VC1 и VC2).
Если в анодных цепях тиристоров имеются индуктивности,
то необходимо учитывать процесс коммутации тока (рис. 31,д):
в этом слvчае уrол опережения 13 должен превосходить уrол
81
коммутации 'у на уrол Б не меньше, чем это необходимо для
полноrо восстановления закрытоrо состояния ТИрИСТора. Следо-
вательно, для надежной работы тиристорноrо преобразователя
в инверторном режиме требуется соблюдать условие (3тiп
'у + Б,
.
L1
L2
о
Iа81 Е а1 М
............
..........
Id.иZ
а)
wt
8)
Рис. 32. Трехфаэный реверсивный преобраэователь, работающий на дви..-&-
тель ПОСТОАННО..-О тока:
в схеме включеНИА элементов; б---д кривые наПрАЖений при вы-
ПРАмлении и инвертировании тока
82
Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления
в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник
постоянноrо тока с полярностью, обратной режиму выпрямле-
ния; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преиму-
щественно при отрицательной попярности вторичных напряже-
ний и2' проводя их открывание с уrлом опережения fЗ.
Переход от режима выпрямпения к режиму инвертирования можно
обеспечить также изменением направпения тока при сохранении неизмен-
ныии полярности напряжения Ud и ЭДС Ев. Дпя этоrо вентипьный
преобразоватепь допжен иметь вторую rруппу тиристоров VC4 VC5
VC6 (рис. 32.в). включенных таким обраэом, чтобы направпение тока в
них быпо противопопожно направпению тока в тиристорах VCt VC2
VC3 первой rруппы.
Вентили каждой rруппы вкпючены по трехфаэной нупевой схеме, а
между собой rруппы соединены встречно-параппепьно (встРечно по от-
ношению Apyr к Apyry, параппепьно к наrруэке). Наrруэка в виде якоря
двиrатепя постоянноrо тока М подкпючается через дроссель Ld. обеспе-
чивающий режим напрерывноrо токе, между общей точкой уравнитеп....
HblX дроссепей L t и L2 и нупевой точкой О трансформатора Т. Управпя-
ющие импульсы подаются на тиристоры обеих rрупп от бпоков управле-
ния Аи, и Аи2 ОДНОБременно, Т.е. пременяатся совместное УПpёisпение
rруппами вентипьныx преобразователей.
Тиристоры VCt VC2 VC3. составляющие катодную rруппу Ut, ре-
бота ют выпрямителем в области попожитепьных напряжений на анодах
(ипи вторичных обмоток трансформатора). а тиристоры VC4 VC5 VC6,
образующие анодную rруппу u2 при отрицательных напряжениях на
катодах.
Дпя попучения определенной попярности и знечения напряжения на
HarpY3Ke одна из rрупп вентипей переводится в выпрямительный режим
(работает при са < 900), одновременно с этим втора" rруппа должна
быть подrотовпена для работы в инверторном режиме (устанавливsатся'
уrол йи > 900). В любом режиме работы двиrателя. за искпючением со-
стояния покоя. уrпы управления са и йи обеих rрупп необходимо изме-
нять таким обраЗ0М, чтобы среднее напряжение инвертора Udи было
бопьше, чем среднее напряжение выпрямитепя UdB' на значение двойно-
ro падения напряжения в вентипях, Т.е.
Udи U dB 26u пр .
(53)
Если это равенство будет нарушено, то в замкнутом контуре, образо-
ванном двумя rруппами тиристоров и, и и2 и вторичными обмотками
трансформатора Т, минуя цепь наrрузки. будат протекать ток. назы8-
емый обычно у р а в н и т е п ь н ь, М Т О К О м. среднее значение кото-
poro опрадепяется уравнением
I = U dB 26U пр U dи
ур R3
rAe R э сумма сопротивпений обмоток тренсформатора, уравнител....
HblX дроссепей. соединитепьныx шин и вентилей.
В3
Так как R э мало, то даже незначительное превышение иdв над
Udи + 2ди пр приведет к большому статическому уравнительному току,
который бесполезно зarружает трансформатор и вентили, создает допол-
нительные потери в них и может вызвать аварийotое отключение устано&-
ки аппаратурой токовой защиты.
В переходных режимах (при пуске, торможении или реверсе ДВИl"ате-
ля) и при соблюдении условия (53) в отдельные моменты времени MI"НQ-
венное значениа напряжения выпря ителя может быть больше, чем напря-
жение инв!!ртора. Вследствие ЭТOI"О возникает динамический (прерывис-
тый) уравнительный ток, для Оl"раничения KOTOpol"O применяются ура&-
нительные дроссели L 1 и L2, включаемые последовательно с каждой из
I"РУПП тиристоров (рис. 32,В). Рассмотрим работу тиристорных I"РУПП
u1 и и2 при различных значенМRХ УI"ЛОВ a l и .
Выпрямленное нелряжение преобраэователя будет равно нулю и дви-
I"атель не вращается, если отпирающие импульсы подаются на '"руппы ти-
ристоров со едВИI"ОМ на 900 ПО отношению к моменту ecтecTBeнHOI"O от-
крывания (точки в, 6, 8 для VC1 VC2 VC3 и К,Л,М для VC4 VC5
VC6 на рис. 32,6).
Пусть, например, I"руппа ,:иристоров u1 работает в выпрямительном
режиме с УI"ЛОМ a l = 45. Этому соответствует кривая нвпряжения
Ud' изображенная на рис. 32,в черным цветом. Будем считать, что при
этом преобразователь имеет напряжение UdBl' а двиr-aтель правое
вращение и противо-эдс E Bl . В режиме HenpepbIBHOI"O тока (при большой
индуктивности дросселя Ld) в цепи: обмотки трансформатора Т
тиристоры VC1( VC2, VC3) дроссель L 1 якорь ДВИl"атель М дрос-
сель Ld нулевая точка О трансформатора Т будет протекеть ТОК
idBl' среднее значение KOTOpol"O определяется выражением
U dBl EBl
R э
'dB1
Предположим, что ДВИl"атель необходимо затормозить и сообщить ему
левое вращение. Для ЭТОI"О СЛеАУет УI"ОЛ управления a l первой ,"руппы
увеличить до 900, а второй I"РУППЫ установить больше 90 О, например
равным 1050. Тиристоры VC1 VC2 VC3 закроются при a l =900, 4:iBl =
'"' о и поступление энерl"ИИ К ДВИnlтелю от сети через вентильный преоб-
разователь прекратится, а тиристоры VC4 VC5 VC6 будут ОТК рыты и
проводят ТОК преимущественно при положительных значениях перемен-
ных напряжений 112 на катодах. Напряжение на зажимах преобразователя
будет иметь прежний ЗН8К, но значение el"o Udи2 будет несколько меНIr
ше эдс E Bl якоря ДВИI"ВТеля М (рис. 32,l).
В цепи М, VC4(VC5. VC6), т будет протекать ток под действием поло-
жительной ПО отношению к анодам ТИРИСТОР08 VC4 VC5 VC6 эдс
Е В1 якоря ДВИl"ilТenя. Значение ЭТOI"О тока, ИМ8IOщеl"0 отрицатепьный
знак, определяется выражением
E.l + и dм2
'dи2 =
R э
Е В1 UdИ2
R э
ПреобраЗОNтепь будет работilТЬ инвертором, преобраэуя постоянное
нвпряжение.-l!ырабатыВiМlмое epltЩВlOщимся ПОА действием инерционных
84
масс двмrателем, в переменное напряжение в обмотках трансформатора.
Двиrатель будет тормозиться и начнет возвращать нзкоппенную энерrию
через преобразователь в сеть nepeMeHHoro тока, так как ток 'd изменип
знак. Дnя поддержания значения тока 'dИ2 в процессе торможения на
достаточном уровне необходимо уменьшать yron управпения тиристо-
рами по мере снижения чаСТОТbI вращения двиrатепя М, чтобbl обеспе-
чить нерааенство Е В1 > Udи2' так как ЭДС якоря изменяется пропор-
ционапьно уменьшению чаСТОТbI вращения двиraтепя.
При yrne = 900 двиrатепь остановится, а еспи еще уменьшить yron
управпения ,например до 30 о, to rpynna и2 тиристоров перейдет ра-
ботать в ВblпрямитеПЬНblЙ режим (рис. 32,дl и будет проводить ток при
отрицатеПЬНblХ значениях напряжения и2 на катодах. Напряжение UdB2
преобразоватепя изменит знак на обраТНblЙ (по сравнению со знзком
UdB1 при а 1 = 4501, двиrатепь будет вращаться в обратную сторону
(певое вращание) и ЭДС якоря Ев также изменит свой знак с минуса
на ппюс, при этом будет со6nюдаться неравенство I Ud821 > I Е а2 1.
ВеНТИПЬНblЙ преобразоватепь с двумя комппактами тиристоров, обе-
спечивающий протекание в цепи якоря двиrатепя тока в двух направпе-
ниях, наЗblвается р е в е р с м в н bI М Т И Р И С Т О Р Н bI М n р е о б р е-
з о в а т е n е м. ОН создает бпаrОПРИЯТНblе усповия дпя автоматическоrо
управпения эпектроприводом постоянноrо тока при раЗПИЧНblХ режимах
ero раБОТbl.
6. ВНЕШНИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭНЕРrЕТИЧЕСКИЕ
ПОКАЗАТЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Высшие rармоники в кривой выпрямпеннorо напряжения и
первмчноrо тока. КРИВ8А выпрямленноrо напряжения любой
схемы выпрямления состоит их двух составляющих; постоян-
ной U d , равной ero среднему значению, и переменной Ud ,
определяемой суммой высших rармонических. Действующее
значение напряжения высших rармоник зависит от числа фаз
выпрямителя, схемы соединения вентилей и уrла управления.
Таблица 2 дает представление о содержании напряжения высших
rармоник по отношению к среднему значению выпрямленнorо
напряжения для различных схем.
Числовые отношения Ud /UdO при полном открытии венти-
лей выпрямителя (а = О) указывают на уменьшение действующе-
ro значения напряжения Ud с увеличением частоты rармони-
ческой. Увеличение уrла управления выпрямителя также r!РИВО...
дит к росту отношения Ud /UdO. Из табл. 2 видно, что преобла-
дающее влияние для всех схем выпрямления имеет rармони-
ческая пер'вОЙ кратности по отношению к частоте сети.
Частота составляющих rармоник напряжения Ud связана с
частотой питающей сети f с соотношением
' п = nf 1 = nтf c , (54)
rде п порядковый номер rармоники; т число фаз выпрям-
85
Т а б л и ц 8 2. rврмоН....есКий СОСТ8В ВЬ'ПРИМJl8Ниоrо Н8Приж8НИИ при
р83л....ном чисnе фаз и уrле УПР8ВJl8НИИ выпримитеnи
Частота в",с- Относительное содеРЖ8ние в",сших
Схем... В"'ПРЯМЛ8Нии ших rармоник rаРМОНИ'lеских при различн",х уrЛ8Х
f п .. птf c , rц управлении а в",прямители
00 300 600 900
ОднофаЗН8И двух- 2 . 5О=Н)() 0,472 0,625 0,851 0,968
полупеРИОДН8И и 4.50=200 0,094 0,203 0,334 0,392
мостоваи, т = 2 6.50=300 0,041 0,142 0,234 0,266
Трехфазнаи нулева", 3.50=150 0,176 0,31 0,47 0,53
т = 3 6.50=300 0,041 0,14 0,21 0,25
9. 50=<450 0,017 0,08 0.14 0,16
Трахфазнаи мостова" 6.50=300 0,041 0,14 0,21 0,25
и шестиф8знаи нул&- 12.50=600 0,011 0,06 0,11 0,12
ваи т = 6 18 . 50=900 0,004 0,04 0.07 0.08
При м е ч а н и А: 1. 3десь приведвн", действующие значени" rapM
нических Ud ДЛА k = 1, 2, 3 по отношению к среднему значению в....
прямпенноrо напряжеНИА UdO упраВЛАемоrо в"'прямитеЛА. 2. ДлА н&-
управляемых в",прямителей относительн...е значеНИА rармонических Ud
получаЮТСА при а = 00.
ления пре06разователя,. равное числу пульсаций в выпрямлен-
ном напряжении за один период напряжения питающей сети
1т = 2 для однофазных двухполупериодных схем, m = 3 для
трехфазной схемы с нулевым выводом и m = 6 для трехфазной
мостовой и шестифазной нулевой схем); ' l = mfc частота
первой rармоники пульсации. Например, при частоте питающей
сети 'с = 50 rц частота первой rармоники пульсации lп = 1)
для указанных выше схем будет 100, 150 и 300 rц.
Кривая тока первичной обмотки трансформатора i l , Т.е.
потребляемоrо из питающей сети тока, зависит также от схемы
выпрямителя и характера наrрузки. Входной ток синусоидаль-
ной формы возможен только в однофазных двухполупериод-
ных схемах при чисто активной наrрузке. Во всех друrих схемах
выпрямления ток i l отличается от синусоиды.
Порядок п; в",сших r8РМОНИК первичноrо тока отличаетСА от ПОРЯДК8
rармонических в кривой выпрямленноrо напряженИА на :+ 1, т.е.
п,=k т -t.1,
(55)
rAe k козффициент кратности порядковоrо номера рассматриваемой
rармонической к числу фаз в",прямлеНИА т, предстаВЛАет собой цел...й
рАД чисел k = 1, 2, 3 . . . Например, в трехфазной схеме с нулевым в....
водом (т = 3) в кривой парвичноrо тока имеютс" в...сшие rермоники п
рядков 2, 4, 5, 7-ro и Т.д., в трахфазной мостовой схеме (т = 6) rapM
86
ники порядков 5. 7. 11. 1 I"O и выше. Амппитуда I"армонических тока ;1
опредепяется соотношением
11(пI/l1 = 1/п. (561
Из. (561 спедует. что I"армоники бопее высоких порядков в кривой
тока ;d' как и в кривой напряжения Ud' имеют меньшую амппитуду и пеl"
че отфипьтровываются вспедствие бопее высокой частоты. Позтому опре-
депяющей вепичиной практически явпяется I"армоническая первой KpaT
ности (при k = 11. называемая часто основной I"армоникой.
В кривой пеРВИЧНОI"О тока управпяеМОI"О выпрямитепя I"армонические
составляющие зависят от Уl"ла управления а и характера наI"PVЗКИ. Еспи
наl"рузка активная или активно-индуктивная. но не обеспечивается ражим
работы с непрерывным током ;d' то с ростом Уl"па а происходит увел!+-
чение амппитуд высших I"армоник потребпяеМОI"О тока.
Высшие I"армоники в переменном токе первичной сети. питающей вы-
прямитель. искажают форму кривой напряжения и с (особенно. КОl"да
мощность преобразователя соизмерима с мощностью источника переме....
НOI"О токаl и вызывают допопнитепьный Hal"peB синхронных l"eHepaTOPOB.
питающих сеть. промежуточных трансформаторов и пиний зпектропереде-
чи. оказывают вредное впияние на пинии связи. проходящие вбпизи ВЛ.
а также на работу ДРУI"ИХ потребитепей.
Для искпючения влияния высших I"армоник тока ;1 на питающую
сеть применяют так называемые с е т е в ы е фи п ь Т р ы. которые пред-
ставляют собой злектрическую цепь из поспедоватепьно соединенных
конденсатора Сс.ф и индуктивной катушки Lс.ф. настроенной в резо-
нанс на частоту соответствующей I"армоники тока и подкпюченной параn-
лепьно шинам питающей сети вбпизи выпрямительной установки. На
частоте I"армонической тока ;1 (kl такая цепь обпадает малым сопротив
пением и оказывает для I"армонической составпяющей шунтирующее
действие. не пропуская ее в питающую сеть (см. рис. ЗЗ.а 1 .
Сrлаживающие фильтры. Наличие пульсаций выпрямленноrо
напряжения ухудшает работу потребителей. питаеМblХ от ВblПрЯ
мителей. Например. при питании двиrателей постоянноrо тока
пульсирующим напряжением ухудшаются условия коммутации
тока и увеличиваются потери в двиrателе. При питании радиоап-
паратуры пульсации напряжения Ud резко ухудшают работу ycт
ройств. создавая на выходе усилителей фон, Т.е. дополнитеЛЬНblе
колебания выходноrо напряжения низкой частоты. Вследствие
этоrо пульсации напряжения на наrрузке должны бblТЬ снижеНbI
до значений, при которых не скаЗblвалось бbl их отрицательное
влияние на работу установок.
Для уменьшения пульсации Вblпрямленноrо напряжения на
выходе Вblпрямителя устанавливается специальное устройство,
наЗblваемое с r л а ж и в а ю щ и м Ф и л ь Т ром. Схема вклю-
чения фильтра ФСI" приведена на рис. 33.а.
Сrлаживающие фИЛЬТрbl можно разделить на паССИВНblе и aK
ТИВНblе (элеКТРОННblе). П а с с и в н bI е Ф и л ь Т р bI выполня-
ются на основе реаКТИВНblХ элементов дросселей и конденсато-
ров, которые окаЗblвают соответственно большое и малое со-
В7
противление переменному току и наоборот постоянному.
А к т и в н ы е (электронные) Ф и л ь Т р Ы содержат электрон-
ные элементы транзисторы или электронные лампы. Эффек
тивность сrлаживающеrо фильтра оценивают по ero способ-
. . ности уменьшать пульсацию напряжения на наrрузке.
Значение пульсации напряжения на выходе выпрямителя оце-
нивается коэффициентом пульсаций q, который равен отноше-
нию амплитуды основной (первой) rаРМDНИКИ пульсаций U lт
К постоянной составляющей выпрямленноrо напряжения Ud,
т.е. q = и H" /U d .
Пульсация напряжения на наrрузке характериэуется коэффи
циентом ql' который равен отношению амплитуды основной
!J Urt
иc --<>
(
---и 1 <::> 't:>
<:> В >< Urt Фсr
>< :;;
Ссср IQ IQ "'<)
IF --о
L!r а)
U
+ t<t.
Ud. ic
Urt ! С ф Rd Ud Ud.O
и 1
о) t 1 (Z)t
Ud2. 8)
L ф U
Urt(id.) .:1Ud.
Ud. id
Ud. Rd. U<t
z) О :л: 8)
Рис. зз. Схемы включеНИR фильтров:
а стру!<турнаА схема ВЫЛРRмитеЛR с фильтрами. б емкостный
фильтр; в индуктивный фильтр; z и д кривые наЛРRжений и токов
с- и L -фильтров
88
rармоники пульсаций Ud на наrрузке к среднему значению
напряжения UdH на наrрузке, т.е. ql = Ud /UdH-
Пульсация напряжения на наrрузке задается условиями pa
боты потребителя, а пульсация напряжения на входе выпрямите-
ля известна после выбора схемы выпрямления и определения ее
параметров. Отношение значений q и ql определяет степень
сrлаживания выпрямпеннorо напряжения и называется к о э ф-
фи Ц и е н т о м с r л а ж и в а н и я Ф и л ь Т р а s:
s
qlql
U lт 'Ud
Ud'U dH
(57)
Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямлек-
HorO напряжения crлаживающий фильтр уменьшает и постоян
ную составляющую (Udti = Ud Uф)_ Очевидно, чем меньше
степень уменьшения постоянной составляющей jUdlUdH) при не-
изменном оспаблении переменной (Ud /U l,J . тем качесТВeI+
нее будет фильтр.
Для фильтров выпрямителей малой мощности отноше-
ние постоянных составляющих напряжений обычно равно
UdlU dH 1,05";-1,1. а для выпрямителей большой мощ
ности UdlUdH = 1.005";- 1 ,01.
в практических расчетах можно считать Ud R: UdH и коэф
фициент сrлаживания, показывающий в этом случае степень ос-
лабпения переменной составляющей выпрямленноrо напряже-
ния фильтром. принимать равным s = qlql R: U lrтlUd .
Рассмотрим некоторые наиболее распространенные типы про-
стых пассивных сrлаживающих фипьтров.
Е м к о с т н ы й Ф и л ь Т р С фильтр (рис. ЗЗ,б), представ
ляет собой конденсатор С ф , включаемый параллельно сопро-
тивлению наrрузки Rd. Шунтируя наrрузку малым емкостным
сопротивлением ХС = 11 (wC) Rd для переменной COCTaB
ляющей тока ;d = ;С' он создает в выпрямителе дополнительное
падение напряжения иB на r B (рис. ЗЗ,в), что приводит К сrла-
живанию напряжения Ud- В этом случае можно считать, что че-
рез Rd протекает только постоянная составляющая тока Id. а
переменная составляющая тока ;d протекает целиком через
конденсатор.
Емкостный фильтр более эффективен в маломощных
выпрямителях (на малые токи Id с большими значениями
Rd). так как в таком фильтре лer-че получить неравенство
wС ф 1/Rd при небольших значениях емкости С ф .
89
При заданных значениях коэффициента пульсации q. уrловой
частоты "'с = 27rf. источника питания и сопротивления наrрузки
Rcf.' значение Сф,мкФ, может быть определено из выражения
1 106
С ф = (58)
m "'с ql Rd
И н Д у к т и в н ы й Ф и л ь Т р L фильтр (рис. 33,z) ,
представляет собой дроссель L ф , включаемый последовательно
с наrрузкой и обладающий большим реактивным сопротивле.-
нием Х L = "'. L Ф для переменной составляющей выпрямлен--
Horo тока, которая значительно уменьшается, и падение напря
жения Ud от этой составляющей на Rd становится незначи
тельным (рис. 33,д). Для хорошеrо сrлаживания напряжения на
наrрузке необходимо, чтобы соблюдалось неравенство
X L = "'1 Ld Rd" (59)
При заданном коэффициенте сrлаживания s необходимое
значение индуктивности фильтра Lф, rH, с учетом выполнения
условия (59) определяется из выражения
sR d
27rfcm '
L
Ф
(60)
rде 'с частота напряжения питающей сети, rц; т число фаз
выпрямления.
Анализ формулы (60) показывает, что одно и то же значение
коэффициента s может быть получено при тем меньших значе.-
ниях индуктивности Lф, чем меньше сопротивление наrруз и
Rd и чем больше число фаз выпрямления т и частота тока 'd.
Таким образом, индуктивный фильтр выrодно применять в BЫ
прямителях средней и большой мощности, у которых сопротив
ление наrрузки мало, а значение т 3.
Если требуется иметь очень малое значение коэффициента
пульсаций ql' то емкость -с ф или индуктивность L ф , приме.-
няемые в качестве простейших фильтров, MorYT получиться зна-
чительными. В таких случаях применяют более сложные r o б-
раз н ы е или П-О б раз н ы е U..'-фильтры (рис. 34,а и б).
Входным элементом r образноrо фильтра является дроссель
L ф' а конденсатор С ф включается параллельно наrрузке. Для
сrлаживания пульсации напряжения Ud таким фильтром необхо-
димо, чтобы емкостное сопротивление конденсатора для низшей
частоты пульсации было MHoro меньше сопротивления наrрузки
(Х С = "'ССф Rd), а также MHoro меньше индуктивноrо
сопротивления дросселя для первой rармоники пульсации
Ud.m (Х С X L )" При выполнении этих условий, пренебреrая
активным сопротивлением дросселя L ф , коэффициент сrл жи-
90
вания r образноrо фильтра можно определить из выражения
s = (т(.о)с)2LфСф 1.
(61)
Для получения требуеМОI О значения коэффициента сrлажива
ния s необходимое произведение индуктивности и емкости,
rH' Ф, находят по формуле
LфСф = (s + 1)/(2nf c т)2. (62)
Значения L Ф и Сф при известном их произведении выбирают с учетом
обеспечения непрерывности тока id или минимапьных масСОf"абаритных
и стоимостных показатепей фильтра. Для выпрямитепей средней и бопь-
шой мощности при определении конкретных значений Lф и Сф слож
ных фипьтров характерным явпяется требование по обеспечению непре-
рывности тока ic/' так как при выпопнении ЭТОf"О условия уменьшается
действующее значение токов в вентипях и обмотках трансформатора, а
также ef"O f"абаритная мощность ST [4].
Выпрямитепи явпяются источниками высокочастотных эпектромаf"-
нитных вопн, распространение которых мешает работе радио- и телеви-
зионной аппаратуры. Природой этих колебаний в основном явпяются
коммутационные процессы в вентипях схемы, которые сопровождаются
быстрыми изменениями токов и напряжений. Это вызывает распростране-
ние электромаf"НИТНЫХ волн по про водам и в окружающее пространство.
Для уменьшения уровня радиопомех применяются электрические фипьт
ры, состоящие подобно Сf"лаживающим из реактивных эпементов, уста-
навливаемых на входе и выходе выпрямитепя. Чаще Bcef"O для этой цели
используют высокочастотные С-фипьтры, вкпючаемые между сиповыми
проводами и землей (корпусом выпрямителя, если последний заземпяет
ся) , как это показано на рис. ЗЗ,д в виде элемента Фр, п.
В таких фипьтрах при меняются специальные высокочастотные проход
ные конденсаторы, имеющие минимальные активные потери и практичес
ки безындуктивные. В зависимости от требований по уровню радиопо-
мех данные фипьтры MOf"YT иметь более спожную структуру (используют
r или П-образный фипьтр).
Внешние характеристики силовых выпрямителей. В реальных
схемах выпрямления с ростом тока наrрузки MrHoBeHHoe знаЧЕ!"-
ние напряжения Ud и среднее значение напряжения ВЫПРЯМИТЕ!"-
ля Ud уменьшаются вследствие падения напряжения в активном
lи tзr. {f Ell'
а) 5)
Рис. 34. Схемы спqжных фипьтров;
.д однозвенный r образный L С фильтр; б П-образный фильтр
91
сопротивлении обмоток трансформатора l:J.U T и последователь-
ных элементах сrлаживающerо фильтра l:J.U ф , падений напряже-
ния D вентилях l:J.U B и в индуктивном сопротивлении l:J.U x , ко-
торое проявляется при процессах коммутации. Это явление от-
ражает в н е ш н я я х а р а к т е р и с т и к а в ы n р я м и т е л я,
которая представляет собой зависимость выпрямленноrо напря-
жения от среднеrо значения тока наrрузки, Т.е. U d == f(/d). Внеш-
нюю характеристику неуправляемоrо выпрямителя со сrлажи-
вающим фильтром (при wLф == <х» можно представить в Bjo4Дe
следующеrо уравнения:
U d == U dO l:J.U T l:J.U ф l:J.U B l:J.Ux .
(63)
rде l:J.U T == IdRT И l:J.U ф == IdRс,д падение напряжения на ак-
тивных сопротивлениях обмоток трансформатора и сrлажива-
ющerо дросселя; l:J.U B == пl:J.U np падение напряжения в венти-
лях одноrо плеча выпрямителя (для мостовых схем выпрямле-
ния l:J.U B == 2пl:J.U np ); l:J.U x == IdXTт/(2тr) коммутацион-
ное падение напряжения.
Из уравнения (63) видно, что напряжение на выходе выпря-
мителя линейно зависит от тока наrрузки и rрафически пред-
ставляет прямую линию (рис. 35,а) , наклон которой к оси абс-
цисс определяется внутренним падением напряжения от тока
наrрузки. В зависимости от мощности выпрямителя влияние ак-
тивных и реактивных элементов схемы в этом процессе различ-
но. Обычно в выпрямителях средней и большой мощности пре-
обладает влияние индуктивноrо сопротивления Х Т обмото
трансформатора, а в маломощных активноrо сопротивления
я т первичной и вторичной обмоток. Падение напряжения в вен-
тилях не зависит от тока Id и перемещает характеристику U d ==
== f(/d) вниз на l:J.U B .
В мощных выпрямителях при U d > 50 В, в которых приме-
няются силовые кремниевые вентили с установкой не более од-
ноrо-двух диодов В. плече, падением напряжения в вентилях час-
то пренебреrают, так как l:J.Unp,HOM == 1,2--=-1,5 В. Тоrда уравне-
ние внешней характеристики может быть записано следующим
образом:
U d == U dO Id(RT + Х;; + Яс,д).
(64)
Следует отметить, что при токах наrрузки Id < IdHOM' па-
дение напряжения выпрямителей, как правило, составляет не бо-
лее 15-----20% напряжения U dO .
Внешние характеристики управляемоrо преобразователя в
выпрямительном режиме при wLd > 5Rd (Ld == <х» имеют та-
кой же характер, как и в неуправляемом, и определяются вы-
ражением
92
( ХТт
U da = U do cosa Id 21т
+ R T + Rс,д) ,
(651
rAe UdO напряжение условноrо холостоrо хода выпрямителя
при полностью открытых (а = 01 тиристорах.
Каждому уrлу управления а соответствует своя внешняя
характеристика. На рис. 35,6 построено в относительных едини-
цах семейство таких характеристик при разных значениях уrла
а, наклон которых остается постоянным, так как .потери напря
жения в преобразователе не зависят от уrла управления.
Если Ld -:1= сх>, то при бопьших yrnax а и маЛblХ токах Id наrрузки
наступает режим преРblВИСТblХ токов, при котором криваR тока наrрузки
id содержит интерваЛbl нулевоrо тока и будет отсутствовать переКРblтие
вентилей в процессе коммутации. ДлR TaKoro режима (65) окаЗblвается
недействитеЛЬНblМ, так как среднее значение наПpRжеНИR преобразоватеЛR
будет зависеть не только от уrла управлеНИR а, но и от времени протека-
ниR тока через ТИРИСТОрbl, которое будет уменьшаться (л < 2тr/т) за
счет сокращеНИR длительности рабоТbI вентилей при отрицатеЛЬНblХ напрА
жеНИRХ и2'
Это Rвпение ВblЗвано тем, что при уменьшении тока наrрузки Id
уменьшаетСR запасаемое в индуктивности L d количество знeprии и соз
даваемаА ею зде самоиндукции eL окаЗblваетCR недостаточной ДПА под-
держаНИR непрерывным тока id при отрицатеЛЬНblХ наПpRжеНИRХ на ано-
дах тиристоров.
В этом режиме отсутствует также коммутационное падение напрА
жеНИR ди х , что приводит к увеличению выпRмленноrоo наПpRжеНИR
Ud, и внешние характеристики резко поднимаЮТСR вверх (на рис_ 35.6
U d
1Ша. =IШт+ДU х +дщ
\
-............-....-
Ud,O
иа
о
...............
I dHo ... Id.
а)
Иd«/UdО
ДИв
ос
V
00
lf 10
60
760
о
0,25
0,50 0,75 1,00
Iа /Id. НО'"
о)
Рис. 35. Внешние характеристики выpRмителейй большой мощности:
а ДЛR неупраВЛRеМblХ схем; (j ДЛR упраВЛRеМblХ схем при различ
ных yrnax а
"
93
показаны зепеными пунктирными кривыми). Точки на оси ординат. оп
редепяющие напряжение xonocтor-o хода Udao в режиме прерывистых
токов, при m фазном выпрямпении и бопьших yrnax запаздывания а
можно определить по выражению
U dao = Ф--U2Ф cos[ (1rlт) + al.
(66)
Переходу от режима henpepbIbhor-о тока к режиму прерывистоr-о тока
соответствует режим н а ч а n ь н Оон е n р еры в н о r- о т о к в, явля-
ющийся r-раничным между двумя указанными режимами, при котором
отсутствует перекрытие вентипей в процессе коммутации, но нет интерва-
лов нулевоr-о тока id' Значение r-раничноr-о тока зависит от уr-ла рerул....
рования а и параметров схемы. примерный вид внешних характеристик
для данноr-о режима показан на рис. 35,6 сппошной зеленой кривой.
Pel"Y лировочные характеристики управляемых преобразовате-
лей. Одной из важнейших характеристик преобразователя на
тиристорах является зависимость cpeдHero значения выпрямлен-
HOI"O напряжения Uda от Уl"ла управления а. При непрерывном
выпрямленном токе (без учета потери напряжения от коммута-
ции тока) для всех схем выпрямления эта зависимость опреде-
пяется выражением
U da = U dO cosa,
(67)
I"де UdO наибольшее (предельное) значение выпрямлеННОI"О
напряжения управляеМОI"О преобразоватепя при а = О, равное
среднему значению выпрямлеННОI"О напряжения неуправляеМОI"О
преобразователя при одинаковых фазных напряжениях U 2ф
трансформаторов обеих схем.
Из (67) видно, что при Уl"ле управления 900 выпрямленное
напряжение будет равно нулю. Это возможно лишь в том случае,
еспи катодная индуктивность Ld в течение части положительно-
1"0 полупериода запасла необходимое количество энерrии
(/; Ld/ 2 ) для поддержания выпрямлеННОI"О тока постоянным в
течение такой же части отрицательноrо полу периода (см.
рис. 31,6).
Режим непреРЫВНОI"О тока id по всему диапазону изменения
Уl"ла а требует наличия бесконечно большой индуктивности Ld'
В этом случае очень мапые пульсации выпрямпеННОI"О тока соз-
дают на катодной индуктивности L d ЭДС самоиндукции, кото-
рая поддерживает ток id непрерывным при отрицательных зна
чениях напряжения Ud'
На практике же в большинстве спучаев L d имС!ет конечное
значение, поэтому запасенной в ней энеРI"ИИ оказывается доста-
точно только для TOI"O, чтобы обеспечить протекание тока лишь в
течеНИJ! некоторой части отрицательноrо полупериода U2ф'
94
Выпрямленный ток становится прерывистым, напряжение Ud
возрастает, и для получения выпрямленноrо напряжения Uda =
= о необходимо увеличить уrол а, чтобы он был больше 900.
Например, среднее значение выпрямленнorо напряжения Tpex
фазнorо управляемоrо выпрямителя с Щ<.тивной наrрузкой
(см. рис. 24) будет равно нулю при а = 1500, для двухфазной
схемы при а = 1800 (см. рис. 21).
На рис. 36.а построены реrулировочные характеристики улравляемых
выпрямителей при числе фаз выпрямления m =2.3 и 6 и двух значениях
катодной индуктивности: Ld = О и Ld = 00. Среднее значение выпрям.
ленноrо напряжения Uda указано в долях максимальноrо Udo в зависи.
МОСТИ от уrла управления а.
Из рисунка видно. что с увеличением ЧИСJ,а фаз выпрямления все боль-
ший участок характеристик U da = f (а) при Ld = О и Ld = 00 ста-
новится общим. .Для двухполупериодной схемы выпрямления разница
между этими кривыми "'чачительна, и даже при индуктивности фильтра.
уменьшающей пульсации выпрямленноrо напряжения до 1 %, критический
ток в этой схеме (ток, при котором справедлив закон U da = U do соsЩ
достиrает примерно ЗО%.
иаа.
и ао
0,9
и а .......
\.. , ,
\.. "&) "
I\. , \.
\. :\.
\. О ! , !l'l/2
, , '\. 1
\
\. \. rl1
, tc:.=O i\.. \.:
\ \ "
m=Z "
..
I\. \ ,
1 \. {L/t =0
!/ 1\ V т==З
/
4t,=oo 1\
, \.
L'd=O "'\ ." \.
'11=6 . \. \..
1) \ '" '"
I I , ..... .... ..... i""'- ....... 1
'О.
0,8
0,7
0,6
0,5
о,'т
0,3
0,2
0,1
о
20 1f0
60 80
100 120 1'т0 160 180 ot;
а)
ot:
Рис. 36. Реrулировочные характеристики управляемых выпрямителей при
различном числе фаз выпрямления (а) и обобщенная характеристика (6)
95
На рис. 36.6 показана обобщенная реrулировочная характеристика p
версивноrо тиристорноrо преобразователя. в соответствии с которой при
изменении уrла а от О до "/2 прео6разователь работает в режиме упра&
ляемоrо выпрямитепя. а при изменении уrла а от "/2 до п {3min
(ипи при изменении уrла (3 от "/2 до (3min) в режиме BeдoMoro сетыо
инвертора.
Коэффициент полезноrо действия и коэффициент мощности
ВblПРЯМИТеля. При малых пульсациях выпрямленноrо тока
к о э Ф Ф и ц и е н т п о л е з н о r о Д е й с т в и я выпрямителя
определяется отношением полезной мощности Pd. отдаваемой
в наrрузку и равной произведению средних значений тока 'd и
напряжения Ud. к полной активной мощности P 1 = Pd + l:1Pd,
потребляемой выпрямительной установкой от питающей сети:
11 = P d , (P d + l:1P d ) ,
(68)
rде l:1P d суммарная мощность потерь выпрямителя.
Мощность потерь складывается из следующих составляющих:
потерь в вентилях l:1P B , в питающем трансформаторе l:1P T , в
сrлаживающем фильтре l:1Р ф и вспомоrательных устройствах
(например, в системе управления и защиты; в делителях напря
жения и тока, если такие применяются; в системе охлаждения
силовых вентилей при принудительном отводе тепла и сиrнали-
зации и др.). с учетом этих составляющих КПД определяется
из следующerо соотношения:
Ud'd
11 =
Ud'd + l:1P B + l:1P T + l:1P ф .
Потери мощности во вспомоrательных устройствах обычно
составляют 0.5+1,5%Pd, потери в элементах фильтра (напри-
мер, в сrлаживающем дросселе потери определяются rлавным
образом активным сопротивлением ero обмотки,l:1Р др = ' rAp)
также незначительны. Основное значение в полупроводниковых
преобразователях имеют потери в вентилях l:1P B и трансформа-
торе l:1P т .
В некоторых случаях представляется удобным оценивать об
щий КПД выпрямителя в виде произведения КПД трансформа
тора и вентилей схемы 11 = 11 т 11 в .
Потери в трансформаторе l:1P T складываются из потерь в ста-
ли сердечника l:1Pc и потерь в меди обмоток l:1P M , а КПД тран-
сформатора определяется выражением
11 = т2 и2'2 (70)
т т2 и 2'2 + l:1Pc + l:1P M
ДМ трансформаторов средней и большой мощности при Har-
рузках, близких к номинальной, КПД равен 9fr98 %. Потери в
96
(69)
вентилнх др в определнютсн потерями от протекании прямоrо
тока
АР в = nвдипр,в,ср;
(71)
здесь n в количество вентилей, по которым одновременно про-
текает ток; ди пр и 'в, ер соответственно падение напрнже-
ния и средний ток вентим. Значение ди пр диодов И тиристо-
ров, как отмечалось ранее, практически не зависит от тока Har-
рузки 'd и в зависимости от типа составляет: 0,4---0,6 В для rep-
маниевых диодов; 0, 1,2 В для кремниевых диодов и ор...
1,5 В для тиристоров, С учетом этих допущений кпд вентилей
схемы определяетси выражением
Ud'd
1}в = Ud'd + n в дипр,в,ср
U d
:01;
U d + n в ди пр .
(72)
Следовательно, с повышенирм напряжения Ud возрастает и
КПД вентилей, а с ним и общий кпд выпрямителн 1} = 1}т 1}в,
Изrотовляемые в настоящее время промышленностью выпрями-
тели средней и большой мощности на кремниевых вентимх име-
ют кпд в пределах 85---S2%.
Коэффициент мощности выпрямителей, Для выпрямителей
средней и большой мощности характерным явмется такой ре-
жим работы, кorда потребляемый ими из сети ток несинусоида-
лен, а ero первЗfI rармоника сдвинута относительно синусоиды
питающerо напряжении. Наличие фаэовоrо сдвиrа свидетельст-
вует о том, что выпрямитель при работе потребляет от сети по-
мимо активной мощности, отдаваемой за вычетом потерь в эле-
ментах схемы в наrрузку, Т.е. равной Ud'd, также реактивную
мощность, которая не совершает полезной работы. Это явление
характеризуется к о э Ф Ф и ц и е н т о м м о Щ н о с т и в ы-
п р я м и т е л я ", значение KOToporo определяется отношением
активной мощности Р 1 , потребляемой выпрямителем, к полной
мощности 51, Т .е.
" .. Р 1/51 '
(73)
Дм однофазноrо выпрямителя (при (..JLd = 00 и уrле ком-
мутации 'у" О) активнЗfI мощность Р 1 выражаетси следующей
формулой:
Р. .. и 1 ,. (1) COS'PI,
r де и. и '1 (1) действующие значения фазноrо напряжения
сети, питающей выпрямитель, и первой rармоники тока, посту-
пающerо из сети; 'Рl уrол сдвиrа первой rармоники тока по
отношению к напряжению и.,
(74)
97
Полная мощность, потребляемая выпрямителем из сети, с
учетом всех rармони к тока '1 может б ыть записана в виде
51 = и 1 '1 = и 1 .j ' (I) + ':(3) + ' (п) (75)
rде '1 (1), '1 (3), . . ., '1 !п) действующие значения rармоник
первичнorо тока.
Подставляя (74) и (75) в (73) ,коэффициент мощности мож
но представить в виде
л = v COS '1'1 ,
(76)
rде v = '1 (1) /11 коэффициент искажения формы кривой
потребляемоrо тока. равный (при WLd = 00 и уrле KOMMyтa
ции "'( = о) v = 2 ...[2/п 0,9 для однофазных нулевой и мос-
товой схем; v = 3/п = 0,95 для трехфазной мостовой схемы;
cos.p 1 коэффициент сдвиrа первой rармоники тока '1 (1) .
зависящиЙ от уrла коммутации "'( и уrла управления а; для
различных типов выпрямителей фазовый сдвиr .рl определяется
следующим образом.
Коэффициент сдвиrа неупраВЛRемоrо выпрАм....
т е л А. В процессе коммутации возникает сдвиr между первой rармони-
кой тока 11(1) и напряжением U 1 . Если пренебречь намаrничивающим
током трансформатора. то ДЛR таких выпрямителей при эначительной ин-
дуктивности сrпаживающеrо дроссепя (WLd > 5Rd) можно считать,
что коэффициент сдвиrа будет равен
cos'P1 = cosl"'(/2).
(77)
rAe "'( уrол коммутации тока.
На рис. 37.8 показан сдвиr вторичноrо тока ;2. а следовательно. и
тока. ; 1 по отношению к напряжению фазы ll2a трансформатора за счет
уrла коммутации. 3начение этоrо сдвиrа примерно равно "'(/2.
пDи номинальных наrрузках выпямителейй нв неуправЛRемых вент....
лях уroл коммутации может достиrать значеНИR 3Q.--.-4QO. в зтом случае
cos'P1 равен 0.9---0.92 для трехфазных и 0.94---0.96 дпя шестифазных
схем выпрямленИR.
Коэффициент сдвиrа ynpaBnReMoro ВЫПРRмите-
л А. Для идеализированной схем,>, выпрямлеНИR (уrол коммутации "'( =
= о и WLd = 00) изменение напряженИR Ud с помощыо уnраВЛRемых
вентипей при водит к увеличению noтребпеНИR реактивной мощности и
снижению cos'l'l выпрямитепя. Это вызвано тем, что при задержке OTK
РЫВВНИR веНТИЛR на уrол управлеНИR а кривые токов ;1,;2 сдвиrаЮТСR
по фазе на уrол.рl а относительно напряжений иl.и2 (рис. 37.6;
здесь кривые напряжений и токов показаны при условии, ЧТО коэффици
ент транСФормации п = Wl/ ""2 = 1). в этом случае можно считать, что
коэффициент СДl\иrа равен cos'l'l cosa.
Коммутационные RвлеНИR в схеме ynpaBnReMoro выпрямитеЛR приво-
дят к дополнительному сдвиrу первой rармоники тока ;1(1) относитель-
но напряженИR иl примерно на уrол "'(/2.
98
Полный сдвиr фаз между током и наПРRжением трансформатора с уче.-
том уrла управлеНИR а и уrла коммутации '}' будет опредеЛRТЬCR уrлом
<Рl а + "1/2. Позтому ДЛR всех рассмотренных ранее схем упраВЛRемых
ВЫПРRмителей коэффициент сдвиrа может быть вычислен по формуле
COS <Рl = cos (а + "1/2).
(78)
На рис. 37,2 по соотношению (77) построено семейство кривых, ха-
рактеризующих зависимость коэффициента сдвиrа ВЫПРRмитеЛR от
уrлов управлеНИR а и коммутации "1. Соrласно зтим кривым козффи
циент сдвиrа уменьшаеТСR с ростом уrлов а и "1. При а = О значение cos <Р.
соответствует козффициенту сдвиrа неупраВЛRемых ВЫПРRмителей. С
учетом коэффициента 0,955 кривые рис. 37,2 опредеЛRЮТ Л трехфазноrо
MOCTOBoro ВЫПРRмитеЛR.
" i'/Z а) 8)
cos
y o 0,9 Оа
0,8
0,7
0,6
0,5
О,ч
0,3
0,2
0,1
О 10 20 ЗО 1;0 50 а;С
о) а)
rf..=o
Рис. 37. Фазовый сдвиr между током и наПРRжением трансформатора
в зависимости от уrлов коммутации и управлеНИR (в---в) и кривые коэф-
фициента мощности упраВЛRемых ВЫПРRмителей \2)
99
Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрями-
телей. Реrулирование выходноrо напряжения выпрямителей с
целью ero уменьшения приводит к возрастанию уrла а и уве-
личению потребляемой из сети реактивной мощности сеть до-
полнительно заrружается реактивным током индуктивноrо ха-
рактера. Поэтому на практике при использовании управляемых
выпрямителей средней и большой мощности часто принимают
меры по повышению коэффициента мощности.
ОДНl'Iм из простейших способов повышения cos t,{)1 является
установка источников реактивной мощности, например конден-
саторов на входе выпрямителя. Блаrоприятно сказывается на
повышении коэффициента мощности выпрямительной установ-
ки применение сетевых фильтров (см. рис. ЗЗ,а) , предназначен-
ных для исключения из питающей сети высших rармоник тока.
Друrим сравнительно простым способом является использо-
вание в выпрямителях трансформаторов с отпайками на различ-
ные значения вторичноrо напряжения. В этом случае для умень-
шения выпрямленноrо напряжения Ud вместо увеличения уrла
управления а переключают вентильный блок на отпайку вторич-
ной обмотки с более низким напряжением U 2ф . Данный способ
обеспечивает дискретное (скачкообразное) реrулирование вып-
рямленноrо напряжения, а наличие механическоrо переключаю-
щеrо устройства снижает надежность и долrовечность установки.
Более эффективным способом повышения коэффициента
мощности входноrо устройства (ВУ) является применение вы-
прямителей с искусственной коммутацией тока. В таких вы-
прямителях реrулирование выходноrо напряжения осуществля-
ют изменением опережающеrо уrла а, т .е. коммутация тока Id
вентилями происходит с опережением относительно точек их
eCTecTBeHHoro отпирания. Потребляемый установкой ток здесь
имеет не отстающий, а опережающий характер, и выпрямитель
будет работать в режиме с емкостной мощностью, т.е. rенери-
ровать в сеть реактивную мощность [подробнее см. 2, 2] .
7. СИСТ МЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
НА тИРИСТОРАХ
Основные требования к системам управления тиристорами.
Управляемый кремниевый вентиль тиристор включается, если
анод имеет более высокий потенциал, чем катод, на управля-
ющий электрод подан импульс напряжения положительной по-
лярности и замкнута цепь наrрузки 1 . Надежное включение тири-
сторов в схемах преобразователей переменноrо тока происходит
1 Здесь имееТСR в виду триодный тиристор.
100
в том случае. если ток и напряжение управления соответствуют
входным характеристикам применяемых вентилей.
Открывание тиристоров в мноrофазных управляемых cxe
мах выпрямления. например в трехфазной нулевой схеме по
рис. 24.а. при непрерывном токе наrрузки происходит 1 раз в
каждый положительный полупериод анодноrо напряжения.
Изменением фазы переднеrо фронта управляющеrо импульса OT
носительно переменноrо анодноrо напряжения можно осущест
вить реrулирование выходноrо напряжения преобразователя.
Система управления (СУ) тиристорным преобразователем
(ТП) должна выполнять следующие задачи:
1) создавать синхронизировамную с напряжением питающей
сети т фазную систему импульсов управления. каждый из ко-
торых способен ВКЛЮЧить любой тиристор. применяемый в ТП;
2) позволять сдвиrать по фазе импульсы управления относи-
тельно аноднorо напряжения тиристоров.
Для управления тиристорами применяют различные системы.
требования к которым опредеЛЯЮТСА спецИФикой схем преобра-
зовательных установок и общими свойствами тиристоров.
Т р е б о в а н и я. о п р е Д е л я е м ы е с в о й с т в а м и
т и р и с т о р о в:
1. Для надежноrо открывания тиристоров. применяемых в
силовых преобразователях. с различными Сопротивлениями уп-
равляющerо перехода необходимо обеспечить такие значения то-
ка управления и напряжения на управляющем электроде. кото-
рые соответствуют rарантированному включению тиристора с
учетом максимальной мощности. выделяемой на управляющем
электроде.
Так как сопротивление перехода УЗ К обычно составляет
25----40 Ом для тиристоров на 'пр = 100-';-300 А. то напряжение
на выходе устройства управления должно быть не более 8-----12 В.
ЗТО свойство тиристоров позволяет применять дпя систем уп-
равления маломощные полупроводниковые элементы (тран-
зисторы. диоды и др.) . малоrабаритные резисторы и конденсато-
ры. а также интеrральные полупроводниковые микросхемы.
содержащие большое число активных элементов (транзисторов.
диодов. стабилитронов) и пассивных элементов (резисторов.
конденсаторов. катушек индуктивности) .
2. Недопустимо подавать на управляющий электрод тиристо-
ров отрицательное напряжение более 0.5----1 В. Наличие отрица-
тельноrо напряжения на УЗ в обратную полуволну анодноrо
напряжения может привести к увеличению 'обр тиристора и
Выходу ero из строя.
3. Для четкоrо отпирания тиристоров и надежной работы пре-
образователя во всех режимах необходимы импульсы отпира-
ющеrо тока с крутым передним фронтом длительностью около
1 мкс И продолжительностью (шириной) около 1Q....-15° для
101
обеспечения нарастания тока через тиристор до значения тока
удержания.
Для управления тиристорами предпочтительным является
применение "у з к и х" отпирающих импульсов для оrраничения
потерь мощности на управляющем переходе вентиля, а также
для уменьшения объема и массы импульсных трансформаторов
системы управления.
Кроме требований, определяемых общими свойствами тири.
сторов, от систем управления требуется:
обеспечение относительной симметрии управляющих импуль-
сов, подаваемых на тиристоры различных фаз ТП, с точностью
1 2 о во всем диапазоне фазовоrо управления для предотвра-
щения неравномерной заrрузки фаз преобразователя током;
обеспечение необходимоrо диапазона изменения уrла управле-
ния а для реrулирования напряжения U d на наrрузке от нуля
до максимальноrо значения. Это требование определяет диапа-
зон изменения фазы отпирающих импульсов при непрерывном
токе в наrрузке в п едел&х Q.--.-90 0 для нереверсивных преобра-
зователей и Q.--.-1607165 0 для реверсивных.
Основные узлы систем управления. В настоящее время разра-
ботано большое количество систем управления тиристорами,
число которых непрерывно возрастает. Это обусловлено широ-
ким развитием силовой полупроводниковой техники и постоян-
ным расширением областей ее применения.
Современные системы управления тиристорными преобра-
зователями выпопняются на основе полупроводниковых и Mar-
нитных эпеменТов. С развитием микроэлектроники широкое
применение в СУ находят различные типы rибридных и инте-
rральных полупроводниковых схем. В качестве маrнитных эле-
ментов преимущественно используются импульсные трансфор-
маторы, применяемые для развязки цепей системы управления и
силовой части выпрямителя.
Замена отдельных полупроводниковых элементов (l'ранзи-
сторов, диодов, стабилитронов и др.) интеrральными схемами
(ИС) позволяет получить существенный технико-экономический
эффект: улучшить технические характеристики и повысить на-
дежность тиристорных преобразователей, унифицировать отдель-
ные функциональные узлы, уменьшить массу и rабариты СУ.
По способу обработки сиrналов ИС делятся на аналоrовые, в
которых входной и выходной сиrналы связаны непрерывной
функцией, и цифровые, в которых входной и выходной сиrналы
являются дискретными величинами.
По используемым методам управления ТП можно выделить
rpynny СУ с и м n у л ь С Н о-ф а з о в ы м у n р а в л е н и е м.
В этих системах осуществляется сдвиr управляющих импульсов
по фазе относительно напряжения питания тиристоров. Как
правило, такие системы состоят из следующих основных узлов:
102
входноrо устройства (ВУ). фазосдвиrающеrо устройства (ФУ),
формирователя отпирающих импульсов (ФИ) и оконечноrо
(выходноrо) узла каналов управления.
Входные устройства предназначаются для формирования раз-
личной формы напряжений, синхронизированных с переменным
напряжением U2Ф, подаваемым на тиристоры. Относительно
системы напряжений ВУ производитCR формирование отпира-
ющих импульсов и распределе....ие их по каналам управления ти-
ристорами соответственно подключению их к фазам Силовorо
трансформатора.
Наиболее распространенным входным устройством является
мноrообмоточный трансформатор. На рис. 38,а изображена схе-
ма ВУ, которая часто используется в системах управления трех-
фазными выпрямителями. При трехканальной системе управле-
ния такими выпрямителями на тиристоры, подключенные к од-
ной фазе силовоrо трансформатора, должны посту ать отпира-
ющие импульсы, сдвинутые относительно друr друrа на уrол
1200. Входное устройство представляет собой небольшой мощ-
ности трансформатор, на первичные обмотки KOToporo подает-
ся трехфазное напряжение сети, питающей выпрямитель. Каждая
l u ,O)lu: l и с
т т
ОН ;щ о
иа.
иc
tz)
о)
и А
иC2
е)
U z
ЙаZ
8)
и х
Рис. 38. Схемы входных устройств на трансформаторах:
а ДЛА трехфазных и б шестифазных RЫПРАмителей, в д вектор-
ные диаrраммы наПрRЖений на обмотках
103
из вторичных обмоток ВУ выполнена из двух полуобмоток, ко-
торые можно соединять в звезду или зиrзаr, что позволяет
снимать с них трехфазную систему напряжений, сдвинутых в
сторону опережений или отставания относительно соответствую-
щих первичных напряжений (рис. 38.zt на уrлы 30, 90 и 1200
(рис. З8.вt, и облеrчает начальную фазировку СУ.
Дпя управления тиристорами шестифазноrо выпрямителя с
нулевой точкой СУ должна формировать отпирающие импульсы.
сдвинутые один относительно друrоrо на yron 600. В этом слу-
чае вторичные полуобмотки трансформатора ВУ спедует coeд
нить по схеме, представленной на рис. 38,6. При этом получаеТСА
шестифазная система вторичных напряжений, векторная диаr-
рамма которых изображена на рис. 38,д. Напряжение с каждой
полуобмотки поступает на вход соответствующerо канала уп-
равления, в котором происходит формирование отпирающих
импульсов. Изменением схемы включения первичных обмоток
трансформатора ВУ можно получить жепаемое расположение вы-
ходноrо напряжения по отношению к анодному напряжению T
ристора.
Во мнorих ВУ используетСА выходное напря)Кение n и л о 06-
раз н о й фор м bl. которое можно получить различными спо-
и
V1 К2 К1 и п
jl:lи . и п
а
а) + и
11 и п
т а Н2
r VT .
]1 1 C
V.D1' + +
L . . о wt
Ь z)
Н1
8) +и п
Рис. 39. сХе..... полупроводников",х ВХОДН"'Х устройств:
11 ДИОДНblЙ И в транзисторн",й reHepaTOpbl пилообразн",х напряже-
ний; б и z BpeMeнH e Диаrрам..... напряжений на элементвх
104
собами. В настоящее время наибольшее применение нашеп спо-
соб формирования пилообразноrо напряжения путем заряда
конденсатора через резистор от источника постоянноrо напряже-
ния и поспедующеrо быстроrо ero разряда. На рис. 39,а показа-
на принципиальная схема TaKoro ВУ, BbInOnHeHHoro на диодах.
В положительный полу период синусоидальнorо напряжения
и вх , снимаемоrо со вторичной обмотки трансформатора Т,
KorAa точка а имеет попожительный потенциал по отношению к
точке Ь, диод V2 закрыт и под действием постоянноrо напряже-
ния И П конденсатор С будет заряжаться по цепи + И п , С, Я1,
И П ' Напряжение И П выбирается больше амплитуднorо значе-
ния и вх , а параметры Я1 и С такими, чтобы за время OДHoro
полупериода напряжения и вх напряжение и с достиrало значе-
ния, значительно MeHbWero И П ' Поэтому заряд конденсатора С
будет происходить практически по пинейному закону (рис. 39,6) .
В момент времени t 1 напряжение на конденсаторе будет рав-
но напряжению и вх (в точке А), при этом образуется ДОПОЛНИ-
тельная цепь для протекания тока от источника' постояннorо
напряжения: +И П ' вторичная обмотка Т, V1, Я2, R1, Ип. Кон-
денсатор С начнет разряжаться, при этом напряжение и с будет
практически изменяться так же, как и и вх на участке АБ. В мо-
мент t 2 напряжение и вх изменит знак и диод V2 откроется.
По цепи V1, Я2, V2, вторичная обмотка т,будет протекать ток
под действием напряжения и вх , Напряжение на конденсаторе
С в этом полупериоде равно прямому падению напряжения на
диоде V2, т .е. можно считать, что ис О. В момент t 3 напряже-
ние и вх снова изменит свой знак, диод V2 закроется, конденса-
тор С начнет заряжаться. Рассмотренные процессы периодичес-
ки повторяются.
В результате на выходе ВУ формируется периодически изме-
няющееся напряжение пилообразной формы и вых = ис с ДЛИ-
тельностью рабочеrо участка ОА практически не более 1600,
синхронизированное с входным напряжением и вх , Это напряже-
ние может быть использовано для формирования отпирающих
импульсов, синхронизированных с анодным напряжением ТИ-
ристоров.
в тех случаях. KorAa необходимо увепичить диапазон рабочеrо участка
пипообразноrо напряжения до 1800 и точно синхронизировать начапо
и пип с входным напряжением. при меняют схемы ВУ на транзисторах
(рис. 39,в). В положитепьный попупериод входноrо напряжения ивх,
KorAa b > о. транзистор VТзакрыт и конденсатор С будет заряжаться
от источника постоянноrо напряжения И п - При изменении знака и вх
транзистор открывается и напряжение на конденсаторе С становится
равным падению напряжения на переходе эмиттер коппектор транзисто-
ра. Т.е. ис = ДИ зк О. В течение Bcero отрицатепьноrо попупериода
и вх транзистор VTOTKPbIT. а напряжение на конденсаторе бпизко к Нупю.
105
в следующий лоложительный лолулериод и вх транзистор снова закры
ваеТСА и Т.д. Форма лилообразноrо наЛРRжеНИR в этой схеме локазана на
рис. З8.z. лри этом длительность рабочеrо участка ОА 1800.
Фазосдвuzающuе устройства (ФСУ) используются в СУ
выпрямителями для реrулирования фазы отпирающих импуль
сов. Последовательность процессов получения импульсов и сдви-
ra их по фазе в реальных ФСУ бывает различной. В электромаr
нитных системах управления переменное напряжение сначала мо-
жет сдвиrаться по фазе или изменяться по форме. а затем проис-
ходит формирование из этоrо напряжения управляющеrо им
пульса.
В полупроводниковых СУ. которые в настоящее время счи
таются наиболее перспективными. формирование управляюще-
ro импульса происходит в момент равенства nepeмeHHoro напря-
жения (синусоидальноrо. треуrольноrо или пилообразноrо) и
наложеннorо на Hero постоянноrо напряжения и у . поступающеrо
от устройств управления.
Изменяя значение И у (сравнивая ero по "в е р т и к а л и"
с переменным напряжением). можно осуществлять сдвиr им-
пульсов управления по фазе в широком диапазоне и обеспечи-
вать реrулирование выпрямленноrо напряжения в пределах от
О до :tUd тах'
На рис. 40,а приведена функционапьная схема OAHorO кана-
ла такой ,системы. в которую входят ФСУ и ФИ. Фазосдвиrа
ющее устройство. в свою очередь. содержит reHepaтop onopHoro
напряжения rOH. синхронизируемый синусоидальным напряже-
нием и вх . и НУЛlторrан НО. На вход НУЛlторrана кроме опорно-
ro напряжения Uол. в данном
случае имеющerо полиообраз-
ную форму. подается также
внешнее напряжение управле-
ния и у . в момент равенства
onopHoro напряжения Uол и Ha
пряжения управления И у нуль
opraH переключается. и в этот.
же момент времени ФИ Bыдa
ет управляющий импульс ивых
(рис. 40.6) . При изменении зна-
чения изменяется фаза
и
им..
106
<vt
Рис. 40. Формирование отпирающих
импульсов на принципе вертикалv
но-фазовоrо управлеt1ИR:
а ФункциональнаR схема; б
диаrраммы наПРRжений и выходных
и мпупьсов
выходноrо импульса относительно начала напряжения U оп .
Перечисленные элементы ФСУ MorYT быть выполнены по различ
ным схемам и на разной элементной базе.
Данный принцип может быть реализован и непосредственным
сравнением onopHoro синусоидальноrо напряжения, снимаемоrо
со вторичных обмоток входноrо трансформатора, с напряже-
нием и у . Изменяя схему включения первичных обмоток тран-
сформатора, можно получить желаемое расположение кривой
onopHoro напряжения U оп по отношению к анодному напряже-
нию тиристора. Недостатком таких ФСУ является сужение диа-
пазона фазовоrо сдвиrа и вых (уrол реrулирования О ОЕ;;; а ОЕ;;;
ОЕ;;; 1500), так как при малых и больших уrлах а затрудняются
условия фиксации момента равенства напряжений U оп и и у .
8 качестве н у n ь-о р r а н а чаще Bcero используют: схемы
на одном или двух транзисторах, работающих в ключевом ре-
жиме; бпокинr-rенератор, работающий в ждущем режиме;
схемы на операционных усилителях и др. На рис. 41,а приведена
схема НУЛlrорrана на одном транзисторе. Пока напряжение уп
равления И у остается больше onopHoro напряжения U оп , тран-
зистор VT закрыт, так как база имеет положительный потен-
циал по отношению к эммитеру. 8 этом спучае напряжение на
резисторе Я2 будет равно нулю, так же как и напряжение ивы х.
Коrда же напряжение U оп станет чуть больше И у (практически
при U оп = И у ), транзистор откроется и все напряжение и к бу
дет приложено к Я2. Конденсатор С начнет заряжаться по цепи
+и к , VT, С, RЗ, Я4, иK' и через короткий промежуток време-
ни напряжение на нем станет равным напряжению на резисторе
Я2. 8 этот момент ток через резистор Я4 прекратится.
Таким образом, при открывании транзистора VT на резисто-
иK
VD RLf ивы.
R3
а R1 Ro с
R1
R'f ив...
ив.=Иу иоп
+и к
R2
ь
а)
и оп
И у
R3
о)
Рис. 41. Схемы нупь-орrанов ФСУ,
а на одном транзисторе; 6 на операционном усипитепе
107
ре Я4 формируется кратковременный импульс напряжения, ко-
торый является выходным напряжением и вых нуль орrана. При
закрывании транзистора конденсатор С разряжается по цепи
Я2 , VD и напряжение на резисторе Я4 остается практически paB
ным нулю.
В качестве сравнивающеrо узла нуль-орrана можно использо-
вать схему на операционном усилителе (рис. 41,6). Операцио.т
ный усилитель (ОУ) представляет собой усилитель постоянноrо
тока, выполненный на интеrральной микросхеме, имеющей два
входа и один выход, не считая выводов для подключения Ii1СТОЧНИ
ков питания. Важным достоинством ОУ по сравнению с обычны
ми транзисторными схемами усилителей является то, что BXOД
ные токи ОУ очень малы (10 5 10 9 А), а коэффициент усиле-
ния наиболее распространенных в настоящее время ОУ состав-
ляет 104 105. Применение ОУ в различных схемах основано на
введении обратных СВАзей (между выходом и входом) , которые
обеспечивают различные функциональные свойства и необхо-
димый козффициент усиления схемы [2].
В схеме нуль-орrана на рис. 41,6 собственно ОУ усиливает раз
ность напряжений И у U оп 0,001 В с большим коэффициен'
том усиления до максимальноrо значения выходноrо напряже-
ния и вых , которое снимается с резистора Я4 и далее преобразу
ется в кратковременный импульс напряжения и вых НО, как и
в предыдущей схеме.
Формuрователь uмпульсов. Нуль-орrан ФСУ имеет выходной
сиrнал малой мощности и произвольной формы. Поэтому полу
чение отпирающих импульсов требуемой формы и длительности,
rальванической развязки СУ с силовой цепью преобразователя,
усиление импульсов и размножение их при rрупповом соедине-
нии тиристоров обычно осуществляются одним узлом, который
именуется формирователем импульсов (ФИ). В зависимости от
применяемоrо активнorо элемента формирователи импуль
сов подразделяются на транзисторные. тиристорные и оп-
тронные.
На рис. 42,а приведена схема транзисторноrо ФИ. При пода
че r:. выхода нуль-орrана импульса напряжения и вых НО на базу
транзистора УТ он открывается и через первичную обмотку
трансформатора ТИ протекает кратковременный импульс тока.
Со вторичной обмотки трансформатора усиленный короткий
импульс тока iу,и поступает на управляющий злектрод тиристо-
ра УС. При параллельном или последовательном соединении ти-
ристоров ТИ может иметь несколько выходных обмоток. Рези-
стор Я к о"раничивает коллекторный ток во время насыщения
трансформатора. Диод VDI защищает транзистор от перенапря-
жений при ero выключении. Диод VD2 не пропускает на управ.
ляющий электрод тиристора УС отрицательные импульсы.
Вследствие BbIcoKoro быстродействия транзисторов ФИ на их
108
основе целесообразно применять для управления высокочао-
тотными тиристорами серии тч.
Для управления мощными тиристорами широкое применение
нашли ФИ на маломощных тиристорах с малыми токами управ-
ления (рис. 42,6). В исходном состоянии конденсатор С заряжа-
ется по цепи: задающее напряжение ИЗ, с, VD2. При подаче с
выхода нуль-орrана импульса напряжения и вых НО открывает-
ся вспомоrательный тиристор VC1 и конденсатор С разряжает-
ся "«:> цепи: с, первичная обмотка трансформатора ТИ, VC1,
Я2, С. Параметры этой цепи выбирают так, чтобы по первичной
обмотке протекал кратковременный импульс тока, а на вторич-
ной обмотке индуктировался узкий импульс тока iу,и с кру-
тым передним фронтом.
В процессе коммутации тиристорами импульсов тока боль-
шой амплитуды в разрядных цепях возникает высокий уровень
помех. Эти помехи распространяются как по соединительным
проводам, так и через эфир. При наличии в схеме преобразовате-
ля большоrо количества тиристоров, коммутация которых раз-
несена во времени, включение одноrо прибора может привести
к включению и друrих.
Использование трансформаторов для rальванической развяз-
ки СУ и силовой части преобразователя имеет некоторые недо-
статки. Основным из них является наличие паразитных
(электромаrнитных и емкостных) свяэей между первичной и
вторичной обмотками, затрудняющих обеспечение помехоза-
1 U' '"
'п
R1 VC
. ти
..,
VD:. I .
VT R H
RZ VC2
""и с R H
+и к а) о)
Рис. 42. Схемы ФОРМИРОВ8телей импульсов:
в транзисторный; tJ тиристорный
109
щищеннQCТИ узлов СУ. Более перспективными эпементами для
обеспечения rальванической развязки в цепях преобразователя
и повышения помехозащищенности является применение схем
ФИ с оптоэлектронными приборами. В качестве управлямоrо
элемента приемника света в таких ФИ используются диодные,
транзисторные и тиристорные onTonapbI.
На рис. 43 представлена одна из типовых оптоэлектронных ТИ--
ристорных схем, используемых в качестве оконечноrо узла
ФИ. ДЛЯ коммутации силовоrо тиристора VCI в схеме исполь
зуется тиристорная onTonapa Опт. При подаче импульса управля
ющеrо напряжения и вх светодиод VD излучает световой поток,
который включает оnтронный тиристор VC2. По цепи и с ,
R4, VC2, RЗ, УЭ К, иc проходит импупьстокаi т' который
открывает силовой тиристор VCI. Такая схема Фи'обеспечива-
ет полную развязку цепей управления и наrрузки выпрямителя,
а также помехозащищенность схемы в закрытом состоянии.
Это обусловлено тем, что светодиод имеет собственный nopor
срабатывания.
Система uмпульсно-фазовоzо управленuя. В качестве при--
мера рассмотрим схему формирования управляющих импульсов
(СИФУ) реверсивl'iЫХ тиристорных преобразователей серии
ЭТБР. представленную на рис. 44,а для одноrо канала. Система
работает по вертикальному принципу с синусоидальным опор-
ным напряжением и состоит из шести идентичных каналов,
каждый из которых формирует импульсы управления катодной
и анодной rpynn тиристоров.
Канал улравлеНИR состоит из следующих узлов: reHepaтopa олорноrо
налряжеНИR rOH на трансформаторе Т14, нуль орrана НО на олерацион
ном усилителе А 101и формироватеЛR имлульсов на транзисторах VT102
и VТ1ОЗ. на вход каждоrо канала подаЮТСR из блока питаНИR СУ шесть
синусоидальных напряжений. сдвинутых по фазе на 600 относительно
Apyr APyra. Отфильтрованное опорное наПРRжение и оп . амплитуда кото-
poro реrупируетCR переменным резистором R101. снимаетСR с конденса-
тора С101 и в точке 4 суммируеТСR с напряжением управпеНИR и у . посту
лающим через резистор R104 с вы.
хода СУ. Суммарный сиrнал иоп:t
:t и у подаеТСR на вход А 1 О 1. В за-
висимости от значенИR и знака
напряжеНИR и у усипитепь А 101 бу.
дет отпираТЬСR отрицатепьной или
попожитепьной попувопновой на-
ПРRженИR иоп.
"",и с
U8
110
VD
R3
VC1
.....J
R2
Рис. 43. Схема ompoHHoro форми-
роваreЛR импульсов
На рис. 44.6 представлены BpeMeHHb'le диаrраммы наПРRЖений в цеПАХ
сифу. полученные при напряжении управлеНИR uy = о (2-А строка).
НаПРRжение на выходе А 101 имеет вид. показанныи в З-й строке. В мо-
мент tl HYnlropraH переключаетСR и на конденсаторах С105. С106 ПОRВЛR-
еТСА положительный импульс наПРRжеНИR. под действием KOToporo от-
крываетСА диод VD103. На базах транзисторов VT101 и VT103 ПОЯВЛR-
еТСА положительное наПРRжение. подаваемое от источника +12 В через
резисторы R106. R108 и диод VD103. Эти транзисторы открываЮТСR.
а VT102 закрываетСR. В первичной обмотке импульсноrо трансформа-
тора ТИ1 от источника +20 В протекает кратковременный импульс тока.
под действием KOToporo во вторичной обмотке формируеТСR положитель-
ный импульс наПРRжеНИR Uyl. который используеТСR ДЛR отпираНИR ти
ристора VC1 катодной rруппы (5-А строка) .
В момент t2 НУЛlrорrан снова переключаетСR. и под действием отри
цательноrо импульса наПРRжеНИR на конденсаторах С105. С106 ( A стро-
ка) диод VD103 закрываетСR. прекращаетСR подача попожительноrо сме-
щеНИR на базы транзисторов VT101. VТ103. и они закрываЮТСR. При зтом
открываетСА транзистор VT102. так как на erc базу с коллектора тран-
зистора VT101 через резистор R107 подееТСА положительное смещение. а
со вторичной обмотки импульсноrо трансформатора ТИ2 поступает от-
пирающий импульс и у 2 на тиристор VC2 анодной rруппы. сдвинутый от-
носительно импупьса иуl на 180 U (5-А строка).
Возникающие при открывании транзисторов VT102 и VT103 во вто-
ричных обмотках трансформаторов ТИ1 и ТИ2 отрицательные импульсы
H пpqn каЮТСR диодами VD 1 07. VD108 на упраВЛRющие злектроды
тиристоров VC1 и VC2.
При указанной фазировке наПРRЖений U оп и ll2 упраВЛRющие импуль-
сы в случае и у = о будут формироваТЬCR В моменты времени. соответ-
ствующие yrnaM uo =900. Если измеНRТЬ наПРRжение и у от О до !.и утах .
то синусоида onopHoro наПРRжеНИR и on будет подниматьCR ипи опускатьСА
по отношению к оси абсцисс. а отпирающие импульсы будут раздвиrаТЬСR
или сдвиrатьCR в. диапазоне !.90 0 . что отвечает требоваНИRМ соrласован-
Horo управпеНИR тиристорами реверсивноrо преобразоватеЛR.
Резисторы R 13. R 14 служат ДЛR оrраничеНИR тока через первичные об-
мотки импульсных трансформаторов и RВЛRЮТСR общими ДЛR всех шести
каналов сифу. Ширина rенерируемых импульсов 1 ()"",12° . Диоды VD101,
VD102 оrраничивают наПРRжение на входе НУЛlrорrана А 101.
Фазировка системы управления тиристорами. Для правиль-
ной и надежной работы тиристоров в управляемом преобразова-
теле необходимо тщательно сфазировать су вентилями, Т.е.
нужно обеспечить строrую последовательность подачи отпира
ющих импульсов на тиристоры по отношению к питающему на-
пряжению. Рассмотрим процесс фазировки су на примере трех-
фазной мостовой схемы выпрямления (рис. 45.а) , в которой
применяется полупроводниковая су, обеспечивающая подачу на
каждый тиристор двух узких импульсов, сдвинутых по фазе
на 600. .
Ранее было отмечено, что в трехфазной мостовой схеме одно-
временно работают два тиристора, поэтому напряжение и вых
каждой пары блоков BxoAНoro устройства сифу преобразовате-
111
+Ud.
VC2
и(/,
...
Rllf VT10J
+208 R13
R107 :!!о
е.
+128
1 ,
VD 102
VD101
. иоп
blt
с:>
L...
5) и см
T11f
а) xoa t
Рис. 44. Система импулЫ:но-фазовоrо управлеНИfl ТИрИСТОрН IМ преобре-
зоватепем серии ЭТ6Р:
. схема СИФУ; 6 диаrрамма напряжений на элементах
112
лем СИНХРОНИЗ;llРУется с одной из фаз вторичной обмотки тран-
сформатора, к которой подключены два последовательно соеДI+
ненных вентиля, составляющих одно плечо вентильноrо моста.
Проверка фазировки системы управления производится с
помощью электронноrо осциллоrрафа, например типов С1 18Б,
C1 19 и друrих, rоризонтальную развертку KOToporo и усиление
по вертикали следует отреrулировать так, чтобы на экране укла-
дывалась синусоида напряжения U2ф (рис. 45,6) в удобном для
наблюдения и отсчета начальных уrлов управления ао масштабе.
Отреrулировав развертку осциллоrрафа и отключив питание
СУ, следует поочередно просмотреть на экране и зарисовать на
миллиметровой бумаrе кривые фазных напряжений, подава-
емых на аноды (катоды) тиристоров V1 V3 V5 (V4 V6
V2), и отметить на оси времени (рис. 45,8) начала и концы
положительных полу периодов напряжеНИЙU2а, и2Ь и и2с, после-
и
UZa. UZb U zc 5)
f VIf
VJ V6
115
V2
:1.)
Рис. 45. Ф8ЗИРОВК8 системы управпения трехфазной мостовой схемы
выпрямпения:
а схема вкпючения тиристорое; б rрадуировка осциппоrрафа; в
кривые напряжений на тиристорах и расположение отпирающих импуль-
СОВ при a 900
113
довательность фаз которых должна соответствовать принятой
в энерrосистемах, т .е. А 8 С.
Затем следует отключить силовой трансформатор и включить
питание СУ. Поочередно присоединяя к Вi>IХОДНЫМ зажимам
ВУ осциллоrраф, необходимо убедиться в том, что каждая пара
отпирающих импульсов на тиристорах катодной V1 VЗ V5
и анодной V4 V6 V2 rpynn сдвинута на 1200 и имеет такой же
порядок чередования, как и напряжения и2 а , и2Ь и и2с на ти
ристорах V1 (V4), VЗ(V6) и V5(V2).
Далее производят начальную установку отпирающих импуль-
сов со сдвиrом на 900 относительно точек а, б, в и к, Л, м
ecTecTBeHHoro открывания соответствующих тиристоров. Это
достиrается подбором соединения первичных pr вторичных обмо-
ток вxoAHoro трансформатора блока ФСУ, вследствие чеrо про-
исходит сдвиr по фазе пилообразных напряжений U п каналов
управления ти исторами.
Сдвиr на 90 начальных импульсов управления каждой пары
относительно точек ecTecTBeHHoro открывания тиристоров соот-
ветствует на диаrрамме трехфазноrо напряжения началам поло-
жительных полуволн напряжений последующих фаз (моменты
tt,f2,tз, t s '" на рис. 45.в) длятирисroРОВ'V1 VЗ V5
и концам тех же полуволн напряжений (моменты t 4 , t 6 , t 8 . ..)
для тиристоров V4 V6 V2. Точ ая установка начальноrо зна-
чения уrла реrулирования а о = 90 для каждоrо тиристора схе-
мы выпрямления в режиме HenpepbIBHoro тока производится
изменением напряжения смещения и см , noAaвaeMoro на вход
нуль-орrана каждоrо канала ФСУ (см. рис. 41,а).
После проведения фазировки системы управления следует
произвести пробное включение преобразователя и реrулировку
выпрямлеННОI О напряжения. Для этоrо к выходным зажимам
выпрямителя необходимо подключить наrрузочный резистор со-
ответствующerо сопротивления, вольтметр постоянноrо тока и
электронный осциллоrраф. Затем подается питание на СУ, си-
ловой трансформатор Т и задающий потенциометр, с KOToporo
снимается напряжение и у для подачи в систему управления.
Плавно изменяя напряжение на входе СУ, следует убедиться
в соответствующем изменении "Iпряжения на выходе выпрями-
теля по вольтметру и с помощью осциллоrрафа просмотреть
форму выходноrо напряжения U d при различных значениях yr-
лов реrулирования а. При правильной работе преоБРdЗОватсля
все тиристоры должны быть равномерно заrружены током, а
напряжение U d должно иметь форму, соответствующую схеме
выпрямления (в качестве примера см. рис. 19,в).
114
8. ЗАЩИТА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
Особенности защиты полупроводниковых вентилей. Бо-
льшинство преобразовательных установок, широко применя-
емых в различных отраслях народноrо хозяйства, выполняется
на силовых кремниевых вентилях. ОбеспечеНIr,е высокой надеж-
ности, бесперебойной и долrовременной работы выдвиrает повы-
шенные треб08ания к их защите.
Во время эксплуатации преобразователей возникают как тех-
нолоrические перerрузки, так и аварийные режимы, которые со-
провождаются прохождением через вентили токов, недопусти-
мых по значению и длительности. Кремниевые силовые диоды и
тиристоры ввиду малоrо объема, небольшой теплоемкости вен-
тильноrо элемента и высокой ПЛОlНОСТИ тока п-перехода об-
ладают повышенной чувствительностью к токовым переrрузкам.
Если постоянная времени HarpeBa обмоток трансформаторов
или электродвиrателей равна десяткам минут, то для кремни-
eBoro диска силовоrо вентиля она составляет сотые доли секун-
ды. Следовательно, защита преобразователя должна быть быст-
родействующей, Т.е. быстро отключить электроустановку или ее
. часть и предотвратить повреждение вентилей.
Полупроводниковые вентили чувствительны также к перена-
пряжениям, возникающим в преобразователях. Причины этих
перенапряжений MorYT быть различными. Пер..,одические комму-
тационные перенапряжения возникают при закрывании вентиля
из-за большой скорости спада (обрыва) обратноrо тока. Пере-
напряжения возникают при включении и отключении HeHarpy-
женноrо трансформатора, резких изменениях выпрямленноrо
тока в индуктивностях. Обратные напряжения, превышающие
допустимые значения, воздействующие на вентиль в течение
1 2 мкс, MorYT привести к электрическому пробою р-п-перехо-
да_ Система защиты преобразователя должна обеспечить оrрани-
чение всех видов перенапряжений до допустимоrо уровня.
Защита силовых вентилей от токовых переrрузок. Основны-
ми причинами, обусловливающими выход из строя силовых вен-
тиней в электроустановке, являются К3, длительные токовые
переrрузки. опрокидывание инвертора и электрические пробои
вентилей. При протекании опасных для полупроводниковых вен-
тилей токов переrрузки или К3 должна вступать в действие то-
ковая защита.
Для правильноrо выбора устройств защиты силовых полу-
проводниковых приборов В информационных материалах для
каждоrо типа прибора приводятся следующие зависимости:
1) максим ально допустимый ток рабочей
пер е r р у з к и 'р.пер В интервале времени от 10 мс ДО 5 мин
при токе предварительной наrрузки. равном 0.20,40,60 и 100%
предельноrо тока с последующим приложением напряжения,
115
paBHoro 80% И пов ; число таких повторяющихся переrрузок,
обусловленных характером работы потребитепя, за весь срок
службы вентиля не оrраничивается, но температура полупро
водниковой структуры не должна превышать максимально до-.
пустимоrо значения;
2) м а к с и м а л ь н О Д О n у с т и м а я а м n л и т у Д а
т о к а а в а р и й н о й пер е r р у з к и 'ав.пер в интервале
времени от 10 до 200 мс С последующим приложением обратно-
ro напряжения, paBHoro 80 % И пов ; при таких перerрузках
предnoлаrается превышение максимально допустимой темпера
туры полупроводниковой структуры, но воздействие тока
'ав,пер возможно оrраниченное число раз за время срока служ-
бы прибора;
З) м а к с и м а л ь н О Д О n у с т и м ы е з н а ч е н и я а M
n л и т у Д ы у Д а р н о r о т о к а, А, длительностью 1 10 мс,
И з а Щ и т н ы й n о к а з а т е.л ь (т е n л о в о й э к в и в а-
л е н т) вентиля W B = ' .AtB' характеризующий допустимую
аварийную переrрузку при длительности импульса 10 мс, А 2 .с,
без последующеrо приложения напряжения.
На рис. 46,а в качестве примера приведены зевисимости тока рабочей
переrрузки тиристоров типа Т9-200 при различных значеНИRХ тока пред-
варительной наrрузки по от ошению к предельному току. температура
окружающей среды ОС = 40 С и скорости обдува V охл .возд = 12 м/с,
На рис. 46,6 показаны зависимости тока аварийной переrрузки при
разпичных значеНИRХ начапьной температуры структуры (1 длR ОС =
= 25 ос и 2 ДЛR ОС = 1250) с последующим припожением наПРRжеНИR. .
Анализ кривых показывает. что ТИР,исторы AqHHOrO типа при пре вари'
тельной наrрузке током О,21 п = 40 А в течение 1 с допускают ток l р . пер =
т r,nep, кА [о.в пер ,кА
1,2 2,5
0,8 2,0
O,lf 1,5
О 1111 11 1,0
0,01 0,1 1,0 а.) 10 100 t,C 10 zo о) 50 100 t,Mc
Рис. 46. Перerрузочные характеристики тиристора типа Т-9-200:
а допустимаА амплитуда тока рабочей и 6 аварийной переrрvзки
от длительности t
116
= 1,2 кА в течение 1 О с, I p , пер = 0,75 кА. Если непосредственно перед
переl"РУЗКОЙ через вентиль протекал предельный ток 'К 11, то ра-
бочие переl"РУЗКИ недопустимы. Амплитуда тока аварийной переl"рУЗКИ в
течение 20 мс при (} п нач = 25 ос состаВЛАет lав,пер = 4,9 кА, при
(}р--:пнач = 125 ос lав,пер = 3,1 кА. Ударный ток I YA ДЛА тиристоров T
па Т9--200 оклассов 4----12 при длительности 20 мс и температуре структуры
85 и 125 С состаВПАет соответственно 5,5 и 5 кА, защитный показатель
при длительности импульса 10 мс И тех же значеНИАХ (}р пнач равен
151 000 и 125000А 2 .с.
ДЛА защиты силовых вентилей попупроводниковых преобразователей
срадней и большой мощности при внешних и внутренних К3 широко п
меНАЮТСА специальные быстродействующие предохранители IБП) серий
ПНБ, ПБВ и ПП57, которые АВЛАЮТСА самыми простыми защитными
аппаратами. Такие предохранители СОСТОАТ из контактных ножей и плав-
KOI"O злемента, помещеННОI"О в закрытый фарфоровый патрон IПП57,
ПНБ) или I"ерметичный керамический корпус IПБВ), заполненный су-
хим кварцевым песком. ПлавкаА вставка ИЗI"ОТОВЛАеТСА из специальной
ленты и имеет несколько участков с малым сечением.
Основными показателями предохранителя, характеризующи-
ми ero защитные свойства, являются номинальное напряжение
И п НО м' номинальный ток /п НО М плавкой вставки, тепловые
, 2'.,
эквиваленты плавления /пtпл и отключения /пtоткл'
На рис. 47,а приведена принципиальная схема трехфазноrо
выпрямителя с параллельным включением силовых д..10ДОВ в
"-380 В "-6 10 к В
I . · I .
Qr1 }rM 'Qf1
LR<l 6 т T LRn
т t U2 Qr2 Т
I еа -f+, F= .
FU1 I FU1 I ..
1<:1 .-ea"*
rиз <. _. rиз a) QF3 <' о)
Рис_ 47. 3ащита ПОЛУПРОВОДНИКОВОI"О преобразоватеЛА от коротких замы-
каний и переl"рУЗОК по току:
в быстродействующими предохранитеЛАМИ; б автоматическими
ВЫКЛЮчатеЛАМИ
"-380 В
6 10KB
т
т
QF2
I
117
плечах моста, защищаемоrо плавкими предохраliителями, кото-
рые MorYT быть установлены: последовательно с каждым венти
лем F И1 ДЛЯ защиты от внутренних повреждений; в фазных
{подводящих) проводах FU2 дЛЯ обеспечения отключения при
внешних повреждениях; на выходе постоянноrо тока FU3.
В первом случае через предохранитель протекает ток вентиля
Iв,Д = 1,73/ в ,ер' При такой схеме включения БП необходимо
уч.итывать, что при переrорании одноrо из предохранителей мо-
жет появиться перенапряжение на остальных вентилях, вклю-
ченных параллельно поврежденному. Во ВТором случае плавкие
вставки предохранителей должны быть рассчитаны на вторичный
ток, действующее значение KOToporo для мостовых схем BЫ
прямления равно ..[2/ в ,д (см. табл. 1). Это несколько оrрани-
чивает защитное действие предохранителей. Однако преимущест-
во TaKoro включения в том, что напряжение дуrи, возникающей
при переrорании предохранителя, не создает опасных перенапря
жений в вентилях схемы.
Номинальное напряжение применяемоrо предохранителя
должно быть не меньше номинальноrо напряжения выпрями-
тельной установки, в которой он будет эксплуатироваться
В противном случае не будет обеспечено нормальное rашение дy
rи, что может привести к разрушению корпуса предохранителя
и перебросу дуrи на токоведущие части. Время срабатывания БП
составляет 1(}-,,-15 мс.
При установке предохранителя последовательно с вентилем
ИЛIl1 на вторичной стороне трансформатора (FU1 и FU2 на
рис. 47,а) необходимо,чтобы значение I tоткл предохранителя
было не больше допустимоrо значения тепловоrо эквивалента
';,At B защищаемоrо вентиля.
В тиристорных преобразователях, иМеющих в одном плече
несколько параллельных ветвей, предохранители выбираются
из условия
1
'п t откл тах
п 2
p t
k 2 В,Д в,
(79)
rде п в число параллельно включенных в плече тиристоров;
k коэффициент неравномерности заrрузки тиристоров (обыч
но принимают k = 1,05+1,2); ' A tB допустимый тепловой
2 '
эквивалент тиристоров; 'пtоткл тепловой эквивалент отклю-
чения предохранителей. Значения '; д t в силовых вентилей и
' tоткл быстродействующих предохранителей приводятся в ин-
формационных материалах заводов .изrотовителей и в техничес-
ких данных на указанные приборы.
118
2 2
По значению 'п t откл или 'п tотклтах выбирают предохра
нители, номинальный ток (1лавкой вставки которых должен
быть не меньше действующеrо значения максимальноrо тока
наrрузки через вентиль (с учетом допустимых переrрузок преоб-
разователя и коэффициента запаса по току не менее 1,2), т.е.
, П,ном
kдоп.перkзапkв,д'd'
= 'в,д!ld коэффициент использования
(80)
rде kв,д
току.
При наШ1ЧИИ нескольких параллельных ветвей в плече МОСТО'
вой схемы выбранные по (79) предохранители должны обеспе-
чивать селективность токовой защиты: за время срабатывания
предохранителя поврежденной ветви не должны плавиться пре-
дохранители неповрежденных ветвей, Т.е. должно выполняться
условие
2 2 / 2 ) ' 2
, t .е;;; (п k П tплтiп'
n отклтах в в
вентиля по
(81)
Длительное вреМА в СССР серийно выпускались два типа б"lстродейст
вующих плавких предохранителей, предназначенных ДЛА защиты от
токов К3 преобразователей с силовыми полупроводниковыми веНТИЛА
. МИ:
предохранители типа ПНБ-5 ДЛА работы в цеПАХ с номинальным наПРА
жением до ббО В nOCTOAHHOI'"O и nepeMeHHoro тока на номинальные токи
40, б3, 100,160,250,315,400,500 и б30 А; предохранители серии ПБВ
ДЛА работы в цеПАХ nepeMeHHoro тока частоrой 50 rц и НОМИНаЛЬНЫМ на-
ПРАженирм зво В на номинальныe токи от б3 до б30 А.
В настоящее время освоен выпуск предохранителей новой
серии ПП57, преднаЗНдченных для защиты преобразовательных
arperaToB с силовыми кремниевыми вентилями при BHYTpeH
них К3 в цепях переменноrо и постоянноrо тока при напряже
ниях 38(}.....1О00 В на токи 100, 250, 400, 630 и 800 А.
Все указанные предохранители имеют различные сиrнальные
устройства (например, визуальный указатель срабатывания или
ВСпомоrательный КОНТдКТ), которые позволяют быстро обнару
жить сrоревший предохранитель, что упрощает эксплуатацию
вентильных преобразователей.
Предохранители, выбранные из условия W n < W B , обеспечи-
вают защиту полупроводниковых вентилей лишь от токов К3
и ",е защищают их от переrрузок по току. 3ащита силовых
вентилей и преобразователей от токовых переrрузок осуществля
ется а в т о м а т и '1 е с к и м и в ы к л ю '1 а т е л я м и, кото-
рые имеют rлавные контакты, снабженные механизмом расцеп-
ления, и реле защиты прямоrо действия, или так называемые
р а с цеп и т е л и.
Автоматические выключатели выпускаются с электромаrнит
119
ными, тепловыми или комбинированными расцепителями. ЭлеК
тромаrнитный расцепитель предназначен для защиты от К3,
тепловой предусматривается для защиты от длительных пе-
реrрузок током, превышающим номинальный на 20 30 %.
Автоматический выключатель позволяет произsодить оrрани-
ченное число включений и выключений преобразователя при HOp
мальных режимах работы. При срабатывании электромаrнитно-
ro расцепителя и размыкании rлавных контактов выключатель
можно включить повторно без паузы, после срабатывания теПf1О-
Boro расцепителя выключатель будет rOToB к включению после
остывания тепловоrо элемента через 1 1,5 мин. В этом состоит
преимущество автоматических выключателей перед предохрани-
телями, однако быстродействие последних выше.
В преобразователях с силовыми вентилями автоматические
выключатели применяются для защиты от внешних К3, опро-
кидываний инвертора и переrрузок по току. Выключатели уста-
навливают со стороны nepeMeHHoro и постоянноrо тока преобра
зователя.
Автоматические выключатели nepeMeHHoro тока QF1 уста-
навливаются в преобразователях, питающихся от сети 380 В,
на первичной стороне трансформатора или до токооrраничива
ющих реакторов в бестрансформаторных схемах (рис. 47).
-При питании преобразователя от сети 6 или 10 кВ защита тран-
сформатора осуществляется масляным выключателем высоко-
ro напряжения QFM, не входящим в состав arperaTa и получа-
ющим сиrнал на отключение от трансформаторов тока или от
максимальных реле, установленных в КРУ 6 10 кВ. В этом слу-
чае выключатель QF2 устанавливается на вторичной стороне
трансформатора и защищает преобразователь от внешних К3.
Автоматические выключатели постоянноrо тока QFЗ вклю-
чаются на выходе преобразователя и в отходящих линиях Har
рузки. Срабатывание TaKoro выключателя обеспечивает отклю-
чение наrрузки при недопустимых перerрузках и опрокидыва-
ниях инвертора, но не защищает преобразователь от аварийных
режимов, возникающих при пробое вентилей, и от К3 токове-
дущих частей внутри выпрямителя. Для защиты вентилей от не-
допустимых токов в таких случаях используется быстродейст-
вующее устройство защиты по управляющему электроду АК с
датчиками ИА на основе маrнитоуправляемых кон-тактов (rep-
конов) , сдвиrающее управляющие импу льсы в сторону увеличе-
ния уrлов а в или а м при внешних и внутренних К3, появлении
аварийных токов в уравнительном контуре и др. (рис. 47,6).
Место включения автоматическоrо выключателя выбирается
с учетом схемы питания и соединения вентилей преобразователя,
мощности потребителя, а также характеристик и технических
данных автоматических выключателей, которые характеризуют-
120
ся номинальными током и напряжением выключателя, номи-
нальным током и током срабатывания расцепителя, полным вре-
менем срабатывания.
Автоматические выключатели ДЛА эащиты вентильных лревбраэо-
вателей выбирают следующим обраэом:
а) н о м и н а л ь н ы й т о к р а с Ц е л и т е л А выключатеЛА должен
быть не меньше действующеrо эначеНИА тока эащищаемой цели, который
олредеЛАеТСА ло номинальному току наrруэки с учетом воэможных эксл-
луатационных лереrрузок,
'ном,расц ;;<1> '2(ОД = kэ,лерk,kj'dНОМ'
(82)
rAe k э . лер = 1,2 коэффициент эксллуатационной лереrруэки; k, =
= '2Ф"d коэффициент схемы ВЫЛРАмлеНИА ло току; k j = 1,05+
1,08 коэффициент, учитывающий отклонение формы aHoAHoro тока
вентилей от ЛРАмоуrольной; 'lф = '2ф/п, rAe п = Ulф.НОМ/U2ф,ном
коэффициент трансформации трансформетора;
б) т о к с р а б а т ы в а н и А (у С Т а в к и) э л е к т р о м а r н и т-
Н О r о р а с цеп и т е л А не должен превышать при К3 на стороне по-
cтoAHHoro тока 'пр,ДОП веНТИЛА с учетом кратковременной переrруэки
'уст,элм :Е;;; 'ав,пер =(1QO/u K )'dHOM' (83)
rAe ик наПРАжение К3 трансформатора, %.
В преобраэоватеЛАХ с кремниевыми веНТИЛАМИ примеНАЮТ автомати-
ческие выключат ли серий АК50-ЗМ, АП50-ЗМ и АЕ20ОО при ином :Е;;;
500 В .nepeMeHHoro тока и 220 В nOCТOAHHoro тока. Вкпючают укаэанные
выключатепи непосредственно от руки. Их основные технические данные:
АК50 на 'но м = 50 А, с номинальными токами электромаrнитных
расцепителей от 5 до 50 А при токах срабатываНИА (отсечка) 5 и 10 'НОМ'
вреМА отключеНИА 0,015 0,017 с; АП50 на 'НОМ = 50 А, с
'ном,элм,расц от 1,6 до 50 А при токах отсечки 5,7 и 10'ном ; AE2000
на 'НОМ = 1 О, 25, 63 и 100А, исполнение двух- и трехполюсное, вреМА
отключеНИА O,018 O,02 с.
в настоящее время электропромышленность СССР освоила
выпуск автоматических выключателей серии АЗ700, предназна-
ченных для защиты электрических установок от переrрузок и
КЗ в цепях постоянноrо тока напряжением ДО 440 В и перемен-
Horo тока ДО ббО В, на номинальный ток от 40 ДО БЗО А. Эти
выключатели MorYT быть использованы для защиты ПОЛУПРОВОД-
Никовых преобразователей, время отключения их составляет
12 15 Мс.
Для уменьшения мощности защитных аппаратов оrраничива-
ют ток КЗ в первый полупериод после возникновения аварии.
С этой целью в преобразователях применяют трансформаторы с
большим индуктивным сопротивлением обмоток (обычно и к =
= 8+10%). Если значение и к трансформатора недостаточно для
оrраничения тока К3, то в фазы преобразователя дополнитель-
но включают ток oorpaH ичивающие анодные реакторы.
121
Защита силовых вентилей от перенапряжений. Импульсы об
paTHoro напряжения, превышающие периодически прикладыва
емые допустимые обратные напряжения, Moryт разрушить вен-
тиль, поэтому необходимо принимать специальные меры для за-
щиты силовых вентилей от перенапряжений. Причинами перена
пряжений MorYT быть отключение или включение силовоrо тран-
сформатора на холостом ходу, отключение в цепи постоянноrо
тока, переrорание плавких вставок, а также перенапряжения,
вызываемые коммутацией тока с OAHoro вентиля на друrой.
Коммутационные перенапряжения обусловлены тем, что при
закрытии полупроводниковоrо вентиля прямой анодный ток
резко спадает до нуля, и KorAa напряжение становится обрат-
ным, накопившиеся в р-п-переходе положительные носители то--
ка (дырки) создают обратный ток, который оrраничивается
только сопротивлением трансформатора. С окончанием peKOM
бинации дырок обратный ток "обрывается", что вызывает в кри
+
а)
Rp
y y y
Ш RF
Т
Rp
С р
+
LtJ. Rrt
о)
Рис. 48. Защиты вентилей лреобраэоватеЛR от внешних леренаЛРRжении:
в неулраВЛRемоrо; б лолностью улраВЛRемоrо
122
вой обратноrо напряжения появление начальноrо скачка, превы
шающеrо расчетное значение U обр тах, ЧТО может привести к
пробою вентиля.
Для защиты от внутренних перенапряжений, возникающих в
момент закрывания вентилей, применяют демпфирующие RС це-
почки из последовательно соединенных конденсатора С к и рези
стора RK' включаемых параллельно вентилям. В момент закры-
тия диода или тиристора обратный ток коммутируется из цепи
вентиля в RС-цепочку. Заряд емкости при этом носит колеба-
тельный характер, что способствует более быстрому рассеива-
нию основных носителей зарядов р п-переходов, поэтому уско-
ряется процесс запирания вентилей, что при водит к уменьшению
коммутационных перенапряжений и способствует выравниванию
времени закрывания тиристоров, а этот фактор иrрает сущест-
сенную роль в реверсивных тп, работающих на якорь двиrате-
лt! постоянноrо тока, так как устраняется перerрузка тиристо-
ров с большим t закр '
Особое внимание следует обращать на перенапряжения,
вызванные включениями и отключениями первичной обмотки
ненаrруженноrо трансформатора преобразователя. Возникнове-
ние таких перенапряжений, называемых внешними, связано с
наличием в цепях трансформатора индуктивностей (намаrничи-
вания L о и рассеяния Ls) и емкостей между секциями обмоток.
Для уменьшения внешних леренапряжений применяют защитные
RС-цепочки. включаемые на стороне nepeMeHHoro или постоянноrо тока
преобразователя. При подключении R1С1-цепочек ко вторичным обмот
кам трансформатора (рис. 48.а) получаются относительно большие поте-
ри энерrии. которые вызывают дополнительный HarpeB преобразователя
Кроме roro rабариты защитноrо устройства становятся значительными.
так как необходимо применять в качестве емкости С1 rромоздкие метал-
лобумажные конденсаторы на Uраб ;;;, U 2лтвх и резисторы R1 на боль-
шую мощность рассеяния (& R ;;;, 25+30 Вт) .
Для уменьшения потерь в элементах защитных RС цепочек неуправ-
ляемых преобразователей конденсатор С р можно ВКЛЮЧить на выходе
постоянноrо тока. Это позволяет использовать в уСтройствах защиты
менее rромоздкие электролитические (полярные) конденсаторы. В пре-
образователях на тиристорах защитный конденсатор С р включают на сто-
роне nepeMeHHoro тока (рис. 48.6) через вспомоrательный выпрямитель
на маломощных полупроводниковых диодах.
При возникновении перенапряжений их энерrия будет поrлощаться
конденсаl0РОМ Ср. преобразуясь в энерrию электрическоrо поля. которая
затем рассеивается на резисторе Rp. Резистор R A оrраничивает ток че-
рез вентили lIиодноrо моста при включении трансформатора на незаря-
женный конденсатор Ср.
Параметры защитной цепи определяются по наиболее опасному режи-
му отключt!ния трансформатора на холостом ходу. KorAa перенапряжения
MorYT во MHoro раз превышать рабочее напряжение на вентилях преобр&-
зователя [5).
12
9. 11РОМЫШЛЕННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Области применения преобразовательных arperaтOB. Выпря-
мители и реверсивные преобразователи на силовых попупровод-
никовых вентилях нашли широкое применение во мноrих отра-
спях народноrо хозяйства: в устройствах знерrоснабжения и
электрической тяrи железнодорожноrо и rородскоrо транспорта,
в электроприводе различных производственных механизмов,
электрометаллурrии, электрохимии и т.п. Современные выпря-
мительные и преобразовательные arperaTbI представляют собой
комплектные устройства, содержащие собственно выпрямитель,
систему управления, устройства защиты и охлаждения силовых
вентилей.
В зависимости от назначения и области применения к вентиль-
ным arperaTaM, выполненным на основе кремниевых диодов и
тиристоров, предъявляются различные требования по выходным
параметрам, энерrетическим показателям, массе и rабаритам,
стоимости и др. Выполнение этих требований приводит к разно-
образным техническим и конструктивным решениям для пре-
образователей различноrо назначения.
Выпрямитепи без стабилизации выходно-
r о н а п р я ж е н и я используются как источники питания це-
пей управления, для питания цеховых сетей постоянноrо тока,
отдельных электродвиrателей и др. Мощность таких выпрями-
телей находится в пределах от единиц до нескольких десятков
киловатт: Некоторые выпрямители имеют подреrулировку вы-
ходноrо напряжения, производимую с помощью ответвлений на
вторичных обмотках силовоrо трансформатора.
В ы п р я м и T е л и с о с т а б и л и з а Ц и е й в ы х о Д н о-
r о н а п р я ж е н и я используются как источники опорноrо
напряжения в системах автоматическоrо управления и как ио-
точники питания, обеспечивающие заданное протекание техно-
лоrическоrо процесса. Промышленность выпускает стабилизи-
рованные выпрямители в основном с тиристорным реrулирова-
нием, их мощность обычно не превышает 50 кВт, значение но-
минальных выходных напряжений составляют 36, 115, 230 и
460 В. Если силовые выпрямители предназначены для зарядки
аккумуляторных батарей или питания электролизных устано-
вок, то они оборудуются системой автоматической стабилиза-
ции выходноrо тока.
у п р а в л я е м ы е в ы п р я м и т е л и находят широкое
применение для питания электросварочных arperaToB на поо-
тоянном токе. Такие выпрямители имеют круто падающую
внешнюю характеристику и позволяют реrулировать ток свар-
ки в широком диапазоне, что дает возможность поддерживать
rорение электрической дуrи в заданном режиме.
124
Постоянный ток широко используется в электрометаллурrии
и электрохимии для электролиза цветных металлов и различных
химических элементов, электроэрозионной обработки металлов
и др. Выпрямители, используемые в этих отраслях промышлен
ности, обычно имеют широкий диапазон реrулирования выход-
Horo напряжения. Например, для питания технолоrических уста-
новок, используемых на предприятиях цветной металлурrии,
применяются выпрямители серии ВРВ на номинальные напряже
ния 8 и 14 кВ и токи 440 и 800 А с реrулированием выходноrо
напряжения от нуля до номинальноrо значения. Для питания
rальванических установок используются выпрямители серии
BAKr с напряжением 12 В и номинальными токами от 100 до
25 000 А. С целью ускорения протекания rальванических процес-
сов и улучшения качества металлопокрытий применяется pe
версирование постоянноrо тока при электролизе. Для этоrо BЫ
пускаются выпрямители серии ВАКР. Особенностью выпрями-
тельных arperaToB для rальванотехники является низкое зна-
чение и вых при больших токах, поэтому они обычно выполня
ются по схемам с нулевым выводом с целью уменьшения 6.ив.
Тиристорные преобразователи для питания двиrателей "ос.
тоянноrо тока. С развитием силовой полупроводниковой техни-
ки в автоматизированном электроприводе произошли качествен.
ные изменения. В реrулируемых электроприводах постоянноrо
тока электромашинные и ртутные преобразователи, силовые
маrнитные усилители заменяются тиристорными преобразова-
телАМи. НарАДУ с системой rенератор-----двиrатель (r Д) все ши-
ре используется более быстродействующая и экономичная си-
стема т и р и с т о р н ы й n р е о б раз о в а т е л b Д В И r а-
т е л ь (ТП Д). ЭТО позволяет существенно повысить надеж
ность электропривода, добиться лучших технико-экономичес
ких показателей, увеличить степень автоматизации. ДЛА исполь-
зования в электроприводе промышленностью ранее выпуска
лись тиристорные преобразователи серий ПТТ и ПТТР, а также
комплектные тиристорные arperaTbI АТ и АТР на их основе.
Эти установки предназначены ДЛА преобразования трехфазноr-о
nepeMeHHoro напряжения частотой 50 rц в реrулируемое по
значению и HaKY (только ДЛА ПТТР) выпрямленное напряжение
и примеНflЮТСЯ для питания якорных цепей двиrателей постоян.
Horo тока, обмоток возбуждения reHepaTopoB (в системах r Д)
и дв rателей (в системе ТП Д или r Д) , а также в качестве pe
rуЛАТОрОВ напряжения в цепях с активной и активно-индуктив-
ной наrрузкой. на номинальный ток от 100 до 2500 А и выпрям
ленное напряжение 230 и 460 В. Типовое обозначение указанных
arperaToB, например А ТР-800/46()'1 С (2Р), расшифровывается
следующим образом: АТР arperaT тиристорный реверс вный
(А Т то же нереверсивный); первое число (800) означает но-
минальный ВЫПРАмленный ток, А; второе (460) номиналь-
125
ное выпрямленное напряжение, В; цифра с буквой указывает
на разновидность исполнения arperaTa: 1 с соrласующим тран-
сформатором, 2 с анодными реакторами, с совместным .(С)
и раздельным (Р) управлением rруппами тиристоров реверсив-
Horo преобразователя.
Охлаждение воздушное естественное в arperaTax на токи 100
и 200 А; воздушное принудительное в arperaTax на токи
320 А и выше.
В течение последних лет в нашей стране проводится значи-
тельная работа по проектированию и изrотовлению различных
комплектных тиристорных электроприводов постоянноrо тока.
Большое распространение получили т и р и с т о р н ы е n р и-
в о Д ы серий ЭТ3 и ЭТ3Р, которые предназначены для реrулиро-
вания скорости механизмов rлавноrо движения и подачи метал-
лорежущих станков и друrих рабочих машин с высокой точ-
ностью (&-----10%) и в широком диапазоне реrулирования часто-
ты вращения двиrателя.
Приводы имеют нереверсивное (ЭТ3) и реверсивное (ЭТ3Р)
исполнение и поставляются заказчику комплектно. В комплект
привода входят: тиристорный преобразователь, электродвиrа-
тель постоянноrо тока серий ПБСТ или 2П со встроенным тахо-
reHepaTopoM, силовой трехфазный трансформатор серии ТТ,
задатчик частоты вращения типа ПП26 или ПП60. ДЛЯ реверсив-
Horo исполнения поставляются два уравнительных дросселя се-
рии РТП. Трансформаторы серии ТТ-трехобмоточные. Вторичная
обмотка обеспечивает получение напряжений двиrателя 110 и
220 В при включении выпрямителя по трехфазной нулевой или
мостовой схеме. Третья обмотка мощностью 0,6 кВ. А служит
для питания цепей управления и возбуждения двиrателя.
Электроприводы серий ЭТ6 и ЭТ6Р предназначены для pery-
лирования скорости механизмов подачи тяжелых металлорежу-
щих станков и станков с числовым nporpaMMHbIM управлением.
В состав при вода входят: тиристорный шестипульсный преобра-
зователь, соrласующий трансформатор серии ТС, реакторы се-
рии РТП, электродвиrатель постоянноrо тока серий ПБСТ,
2П, пrт и ПБВ (в соответствии с заказом) и реrулятор частоты
вращения.
Силовая схема реверсивноrо преобразователя состоит из 12
тиристоров, включенных по шестифазной нулевой встречно-па-
раллельной схеме с двумя токооrраничивающими реакторами;
трехфазноrо трансформатора ТС мощностью 6, 8, 11, 14, 19 и
25 кВ. А, первичная обмотка KOToporo соединена в треуrольник,
вторичная в шестифазную звезду с нулевым выводом, третья
обмотка служит для питания цепей управления и соединена в
звезду; двиrателя постоянноrо тока мощность от 1 до 11 кВт на
напряжение 110,22О.В дЛЯ ПБСТ и 2П и 60, 70 и 90 В дЛЯ ПБВ и
П rT. Силовой блок и управляющее устройство преобразователя
126
имеют блочную конструкцию и предназначены для встройки в
электрошкаф (кроме электродвиrателя) , расположенный около
станка.
Комплектные тиристорные электроприводы серии КТ3 пред
назначены для питания якорной цепи двиrателей постоянноrо
тока и цепей возбуждения машин постоянноrо тока общеrо наз
начения с реrулированием напряжения (ЭДС) , тока возбужде-
ния, частоты вращения и положения вала приводноrо электро-
двиrателя.
Электротехническая промышленность поставляет приводы
КТЭ мощностью до 2000 кВт и 200{}--.-12 000 кВт. В комплект
КТЭ входят: электродвиrатель постоянноrо тока с TaxoreHe-
ратором; силовой тиристорный преобразователь (нереверсив-
ный или реверсивный) на номинальные напряжения 230, 460,
630, 865, 980 В и номинальные токи от 25 до 12 500 А; тири-
сторный возбудитель на ток до 25 А и напряжение {}--.-460 В;
коммутирующая аппаратура; система. управления, защиты и
сиrнализации, а также друrие специальные узлы и устройства.
Приводы КТЭ на номинальный ток до 500 А питаются от сети
380 В через трансформаторы или анодные реакторы, на ток
800 А и 1000 А от сети 380 В через анодные реакторы. Все
остальные КТЭ питаются от сети 6 или 10 кВ через масляные
трансформаторы.
Существенное увеличение нашей промышленностью выпуска
мощных и надежных силовых тиристоров, резкое уменьшение
их стоимости позволяют наряду с широким использованием ТП
дЛЯ приводов постоянноrо тока уже сейчас разрабатывать и ос-
ваивать выпуск электроприводов nepeMeHHoro тока, управля
емых различноrо рода тиристорными преобразователями. BeCb
ма перспективным приводом nepeMeHHoro тока с тиристорным
управлением является при вод, в котором используется корот-
козамкнутый асинхронный двиrатель с частотным реrулирова-
нием скорости в большом диапазоне, для питания KOToporo при
меняется статический пре;)бразователь частоты на тиристорах.
10. ЭКСПЛУАТАЦИЯ И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
ОБСЛУЖИВАНИИ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Охлаждение силовых вентилей. ЭлектрическиР. потери, возни-
кающие в полупроводниковом приборе при протекании через He
ro тока, обусловливают выделение в нем тепла, вызывающеrо
HarpeB полупроводниковой структуры. Для обеспечения надеж-
ной работы и использования силовых полупроводниковых вен-
тилей на полную мощность необходимо принимать меры для
дополнительноrо отвода тепла о х л а ж Д а т ь в е н т и л и
Наибольшее распространение получили два способа охлаждения:
воздушное и водяное.
127
При воздушном охлаждении применяются охладители в фор-
ме пластин для вентилей на ток до 25 А и специальные охлади-
Рис. 49. Общий вид охладите
лей типов OA 004 (8). ОА-011
(6) и ОА-019 (в) для односто-
pOHHero воздушноrо охлаждениЯ
штыревых вентилей
128
()()
,
()
,,
1
,
а)
(J
))
:- "
":\
, " I
; * 1
" ,
'\ '-=;:' с
"
',,,
"\ 5)
Рис. 50. Общий вид охладителей
типов ОА:ОЗЗ (а). ОА-ОЗ8 (6) и
ОА-052 (в) для двустороннеrо
воздушноrо охлаждения табле-
точных вентилей
тели, имеющие массивное основание ("подушку") с резьбовым
отверстием под нарезной болт на аноде у тиристоров или на ка-
тоде у диодов силовых вентилей штыревой конструкции и ребра
для отвода тепла, увеличивающие поверхность охлаждения
(рис. 49). Такие охладители часто называют радиаторами. Они
применяются для вентилей на ток от 50 до 320 А. Охладители
изrотовляются из меди или алюминия, а также из сплавов алю.
миния, обладающих высокой теплопроводностью и имеющих
меньшую массу. В последнее время наибольшее применение по-
лучили охладители из алюминиевоrо прессованноrо профиля,
получаемоrо методом rорячеrо прессования. Материалом для
изrотовления профиля служит алюминиевый сплав марки
АД-31. Для отвода тока здесь используют медный пластинча-
тый вывод, который прокладывается между вентилем и охлади-
телем.
Охладители в силовых блок'3Х выпрямителей крепятся при
помощи болтов, для чеrо в основании радиатора имеются резьбо-
вые отверстия (охладители од.004, од.036 и др.) , или при по-
мощи специальных пазов (охладители ОА-011, ОА-019 и др.) .
Для более интенсивноrо отвода тепла от силовых вентилей
таблеточной конструкции применяются двусторонние охладите-
ли (рис. 50), выполненные на основе прессованноrо профиля из
сплава АД-31. Отличительной конструктивной особенностью
указанных охладителей является наличие Т-образных пазов,
позволяющих удобно и надежно крепить радиаторы к несущим
панелям выпрямительных arperaToB (охладители типов ОА-033,
од.038, од.052 и др.) . В этом случае при монтаже прибора дол-
жна быть обеспечена наибольшая поверхность соприкосновения
таблетки с охладителями.
Воздушное охлаждение может быть двух видов: естественное
и принудительное. При естественном охлаждении отвод тепла от
вентиля происходит за счет теплопроводности через rраничный
слой воздуха, соприкасающийся с поверхностью охладителя, и
последующей конвекции. Поток воздуха должен проходить па.
раллельно плоскостям ребер охладителя снизу вверх.
Преимуществом TaKoro вида охлаждения являются: простота
конструкции и бесшумность в работе, высокая надежность и
относительно низкая стоимость, удобство эксплуатации и ре-
монта. Серьезным недостатком явпяется малая эффективность
теплоотвода не более 10 ВТI (см 2 . о С), вследствие чеrо прихо-
дится снижать наrрузку на вентиль по току до 35 % номиналь-
ной. .Для обеспечения заrрузки силовоrо вентиля номинальным
током при естественном охлаждении необходимо устанавливать
вентиль на радиаторе увеличенных размеров.
При принудительном воздушном охлаждении воздух проду-
вается вдоль ребер охладителей с помощью низконапорных осе-
вых вентиляторов, а теплопередача осуществляется в основном
129
блаrодаря вынужденной конвекции. В этом случае интенсив
НОСТь теплоотвода зависит от скорости движения охлаждающеrо
воздуха, следовательно, и допустимый ток наrрузки вентиля за
висит от этой скорости. На рис. 51 в качестве примера представ
лен rрафик эначений предельноrо тока 'п тиристора ТЛ-160
при различных скоростях охлаждающеrо воздуха v. Для полу
чения такой скорости потока воздуха преобразователь снабжа-
ется шахтой (вентиляционным каналом), ВНУ1РИ которой рас-
полаrаются вентили, а в верхней или нижней части устанавли-
вае1СЯ вентилятор.
Полупроводниковые преобразователи с принудительным Воз
душным охлаждением имеют меньшие rабариты и массу по cpaB
нению с преобразователями с естественным охлаждением, но
им свойственны некоторые существенные недостатки: с вве-
дением в конструкцию СlаТИческоrо выпрямительноrо arperaTa
вращающеrоСА вентилятора снижается надежность; создается
сильный шум и возникают вибрации при работе вентилятора;
необходимо устанавливать дополнительную аппаратуру дЛЯ KOH
троля исправной работы вентилятора (ветровое реле и т.д.) ,
сиr"ализации и защиты преобразователя в случае выхода венти
лятора из строя.
При водяном охлаждении применяются либо индивидуальные
радиаторы цилиндрической формы (рис. 52,а) , имеющие коль-
цевое уrлубление на верхнем основании корпуса 1 для ввинчи-
вания вентиля и два штуцера 2 с кольцевыми нарезками для Ha
девания резиновых шланrов, либо rрупповые охладители
(рис. 52,6) в виде квадратных медных шин 2 с круrлым OTBep
стием внутри, служащих одновременно токоподводами. BeH
тили 1 соединяются с водяными охладителями при помощи
резьбовоrо соединения. Штуцера 3 служат для подвода и отвода
охлаждающей воды. Электрический контакт осуществляется при
помощи токосъемной пластины 4.
Водяное охлаждение выполняется BcerAa принудительным,
циркуляция воды в системе охлаждения достиrается за СЧе1 уста
80
60
*0
20
I
до"
/
,,/
,/
Рис. 51. Зависимость предельно
1"0 тока тиристоров серии ТЛ от
2 'f 6 8 10 12 и,м/С скорости охлаЖДi!ющеl"О воздуха
1"
1",
о
130
новленноrо в arperaTe специальноrо насоса. Такой способ охлаж.
дения является более эффективным по сравнению с воздушным,
но конструкция вентильных блоков усложняется за счет шту-
церов и резиновых шланrов, а также из за введения устройств,
обеспечивающих принудительную циркуляцию воды. В этом
отношении применение rpynnoBbIx охладителей упрощает кон-
струкцию преобразователей и повышает их надежность, не сни.
жая достоинств системы водяноrо охлаждения, которая позво.
ляет интенсивнее отводить тепло и увеличивать ток наrрузки
вентилей. На основе этоrо способа охлаждения уже разработаны
силовые вентили на токи 800, 1000, 1250 и 2000 А.
Основные правила эксплуатации силовых вентилей. Надеж-
ность работы силовых вентилей зависит не только от их качест-
ва, но и ОТ соблюдения установленных правил эксплуатации,
1
z
Рис. 52. Общи вид охладителей для водяноrо охлаждения мощ-
ных вентилей:
в индивидv.альный, б rрулловой
131
хранения и проверки работоспособности приборов. Для обеспе-
чения надежной работы преобразователей на силовых полупро-
водниковых вентилях необходимо соблюдать ряд общих экс.
плуатационных требований:
1. При работе в условиях eCTecTBeHHoro охлаждения вентили
следует располаrать таким образом, чтобы ребра радиаторов на.
ходились в вертикапьной плоскости. При воздушном принуди-
тельном охлаждении вентили допускают работу в любом non<r
жении при условии параллельности ребер радиаторов направ-
лению потока воздуха (допускается отклонение на 100) .
2. Силовые вентили в электрошкафу следует располаrать
таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственное-их охлаж-
дение и предохранить от дополнительноrо подоrрева со стороны
соседних блоков и аппаратуры.
з. Во всех режимах работы преобразовательноrо arp'!raTa зна-
чения номинальноrо рабочеrо напряжения и прямоrо тока вен-
типя не должны превышать допустимых, указанных в паспорте
применяемых вентилей.
4. Силовые вентили являются rерметичными приборами, и
разборка их недопустима.В случае выхода вентиля из строя он
должен быть заменен вентилем Toro же типа и с такими же пара.
метрами (/п, и п , ДUп,_комИДР.).
5. При эксплуатации силовых вентипей необходимо их пери-
одически очищать от пыли и друrих заrрязнений, а также следить
за тем, чтобы в окружающем воздухе не было токопроводящей
пыли и паров кислот, щелочей и друrих химически активных
продуктов.
6. Монтаж вентилей должен быть таким, чтобы обеспечивался
надежный электрический и тепловой контакт между основа-
нием вентиля и радиатором. При установке приборов штыревоrо
типа на охладителях должен обеспечиваться определенный
закручивающий момент, значение KOToporo указывается в ин-
формационных материалах на силовые вентили. Это достиrается
применением специальных монтажных ключей. Для приборов
таблеточной конструкции задается закручивающий момент на
ботах, которыми фланец вентиля прижимается к охладителю.
При меньшем закручивающем моменте возрастает тепловое соп-
ротивление системы к о р n у c o-x л а Д и т е л ь, что может
привести к выходу прибора из строя вследствие neperpeBa.
7. Жесткое закрепление выводов может вызвать появление
трещин в местах их выхода из корпуса прибора, что ВЫЗЫЕ!ает
просачивание паров влаrи внутрь корпуса. Это приводит к посте- .
пенному повышению прямоrо и обратноrо тока утечки тиристо-
ров, и он теряет свои ключевые свойства.
При воздушном охлаждении кремниевых вентилей темпера-
тура воздуха, окружающеrо преобразователь, не должна превы-
132
шать 35 о с; ее следует измерять на расстоянии 60 мм от радиа-
тора со стороны входящеrо потока воздуха.
Дпя поддержания бопее BbIcoKoro значения cos.p целесообраз-
но работать с меньшими значениями уrла а и, если есть возмож-
ность, полностью использовать для реrулирования Ud .ответвле-
ния на обмотках силовоrо трансформатора с подреrулированием
выпрямленноrо напряжения изменением уrла а на каждой
ступени вторичноrо напряжения.
Техника безопасности при эксплуатации преобразовательных
установок. На каждый силовой полупроводниковый преобра-
зовательный arperaT должна быть местная инструкция по экс-
плуатации, составленная на основании рекомендаций завода-
изrотовителя и опыта эксплуатации.
Для обеспечения безопасности обслуживающеrо персонала
корпус преобразователя должен быть надежно заземлен. При ра-
боте выпрямителя стенки кожуха должны быть закрыты. При
необходимости снятия стенок для ремонта прежде следует от-
к лючить преобразователь от сети.
Вспомоrательные цепи выпрямителей, электрически соеди-
ненные с катодами силовых вентилей, например блоки системы
управления тиристорами, должны получать питание от специаль-
ных разделительных трансформаторов.
Если возникает необходимость осмотреть силовой блок пре-
образователя, коrда ero система управления находится под на-
пряжением, то это следует делать стоя на диэлектрическом ков-
рике, не касаясь шкафа одновременно двумя руками и поль-
зуясь IiIHcTpYMeHToM или проводами от измерительных приборов
с изолированными ручками.
Работы по наладке и испытанию преобразователя (фазиров-
ка, проверка равномерности наrрузок по фазам и др.) орrани-
зуются и проводятся как р а б о т ы б е з с н я т и я н а n р я-
ж е н и я с у с т а н о в к и. При этом следует применять до-
полнительные электрозащитные средства: изолирующие кле-
щи, разделительные трансформаторы, диэлектрические перчатки
и rалоши.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чебовский o.r., Моисеев Л.r., Сахаров Ю.В. Силовые попvпровод"и
ковые приборы. Справочник. М.: Энер,-ия, 1975.512 с.
2. Розанов Ю.К. Основы силовой преобраэоватепьной техники. М.:
Энер,-ия, 1979. 322 с.
3. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. М.: Радио и
связь, 1981. 280 с.
4. Китаев В.Е., Бокуннев А.А. Расчет источников электропитания YCT
ройств связи. М.: Связь, 1979.216 С.
5. Справочник по преобраэовательной технике/Под ред. И.М. Чижен
ко. Киев: Техника, 1978. 448 С.
6. Полупроводниковые выпрямитепи/Под ред. Ф.И. Ковалева и
r.П. Мостковой. М.: Энеpr-ия, 1978. 448 С.
7. Полупроводниковые приборы. М.: Информэпектро, 1982. 64 с.
5; 6,g
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . _ _ _ . . . . . _ . . . . . . . . .
1. Слособы лреобразования леременноrо тока в лостоянный
2. Основные тилы силовых лолулроводниковых лриборов
3. Основные схемы неулравляемых вылрямителей однофазноrо
и трехфазноrо тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Улравляемые вылрямители однофазноrо и трехфазноrо тока
5. Работа вылрямителя на наrрузку различноrо характера. . . . . .
6. Внешние характеристики и знерrетические локазатели лреобра-
зователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Системы улравления лреобразователями на тиристорах
8. Защита лреобразовательных установок. . . . . . . . . . .
9. Промышленные лреобразовательные установки . . . . . .
10. Эксллуатация и техника безоласности лри обслуживании вен-
тильных лреобразователей. . . . . . . . . . . . . . .
Слисок литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1'( ТР':ЦоцС'70Р6' (КО"''''<!кТо,Р, 7Mul1ep, БАЗа)
8 rJ(,IO o'
З't 6IhР.!lNЦ7еАG( (неУ")laб",)
55 Y"'/ бt!>f'-"?j;
5" "'7/1 N?4-,u,e.:
J 8 foЦO&"O Сс>с.:
60
ь2
с 7-'1 '1.
vV.o с.?
/ P"J .,
.1 ,99J'I
..3 J6/
3 9J'lJ '
/
/<7/16, C; ?'l" " -
JYo;;' cl'C') - 6q ( 4'.o ....
3
4
6
34
54
66
85
100
115
124
127
134
16?'1;; w 5fJtfJ61)
9# vcroJ ,
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
ВСЕВОЛОД ИВАНОВИЧ ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Редактор издательства И.А. С м о р ч к О в а
Обложка художника В.Я. Б 8 т И Щ е в а
Художественные редакторы
В.А. r о з а K X о з а к, ОЛ. Т и н я к о в а
Технический редактор А.С. Д а в ы д о в а
Корректор r.A. П о л О н С к а я
ИБ N° 1028
Сдано в набор29.07.85. (Наборвылолнен на Ком позере ИБМ 2).
Подписано в печать 28.04.86. T 11744. Формат 84Х108 1/32.
Бумаrа офсетная N° 1. rарнитура УНИАерс. Печать офсетная. Усл.
печ. л. 7,14. Усл. кр.-отт.28,98. Уч. изд. n. 8,82. Тираж 30000 экз.
ЗlJКlJ3 5359. ЦеНlJ 65 к.
Энерrоатомиздат, 113114, Москва, M 114, Шлюзовая наб., 1 О
Ленинrрадская фабрика офсетной печС!ти N° 1 Союзполиrрафпрома
при rосударственном комитете СССР по делам издательств, поли-
rрафии и книжной торrовли, 197101, Ленинrрад, ул. Мира, 3.
65к.
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИI
Энерrоатоммздат rотовит к изданию в 1987 (". следующие
I<Ниrи серии "Библиотека электромонтера":
Айзенфельд А.И., Аронсон В.Н., rловацкий B.r. Фикси-
рующий индикатор сопротивления ФИС. 4,5 л.
Архипцев Ю.Ф., Котеленц Н.Ф. Асинхронные электродви-
rатели. 2-е изд., перераб. и доп. 7 л.
Бранз6урr Е.З., Каменский М.К., Хромченко r.E. Кабели
с пластмассовой изоляцией и муфты для их монтажа. 8,5 л.
Комаров Д.Т. Автоматизация электрических сетей 0,38
35 кВ в сельских районах. 6 л.
f
Штемпель Е.П. Полупроводниковый передатчик высоко-
частотной защиты АВ3К-80. 6,5 л.
Юськив М.А. Электрооборудование внутризаводскоrо
транспорта. 6 л.
СведеНИR о друrих книraх Hawero издательства Вы можете найти в
'ПIмплане Энерrоатомиздата, который имеетCII во всех книжных
маrазинах. распростраНRIOЩИХ научно-технИOIескуlO" литературу.
11
и o rk.. "оии; a.,OhI''fQ",e.t:N,u.yechVl'i
tll "иf.п"' '" NЛ
ттт.6; 6leшдu,f ;od.;.ll.