Управляемый выпрямитель на тиристорах реферат

Обновлено: 05.07.2024

Введение
В данной работе рассмотрены нескольковариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторовнапряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическоеописания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.
Управляемыйвыпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентомусиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке принезначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.
В данной работерассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечиваютмаксимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузкеактивного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного токанапряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжениясети.Глава 1. Понятие отиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия1.1. Определение, виды тиристоров
Тиристоромназываютполупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура,способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристорыпредназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт(управляемый диод).
Простейшимтиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющийсобой четырехслойную структуру типа p-n-p-n(рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типовтиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а среднийp-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие междупереходами, называются базами. Электрод, обеспечивающийэлектрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешнейp-областью – анодом.
В отличие отнесимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорахобратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигаетсявстречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур илиприменением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1.1.1. Обозначения на схемах: а) симистора б)динистора в) тринистора.

Рис. 1.1.2. Структура динистора.

Рис. 1.1.3. Структура тринистора.1.2. Принципдействия
При включениидинистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт,а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтомупочти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу,имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малыйток (участок 1 на рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемоготиристора (динистора).
Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемоготиристора (тринистора).

Рис. 2.1.1. Схема включения тиристора.

Рис. 2.1.2. Вольтамперная характеристика тиристора.
В схеме,содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор нагрузки R (рис. 2.1.1),возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, авторое – закрытому тиристору. Наложение характеристики цепи резистор-источникна характеристики тиристора (рис. 2.1.2) позволяет получить прямые токиотключенного (точка А) и включенного (точка В) тиристора. Повышение напряженияисточника от 0 до E при Iу=0 вызывает перемещение рабочей точки по нижней ветвихарактеристики до точки А. Если подать управляющий импульс тока амплитудой идлительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора,то рабочая точка перейдет в точку, соответствующую открытому состояниютиристора.

Рис.2.1.3.Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора.
Спадоткрывающего импульса тока в цепи управления не влияет на процессы в открытомтиристоре, его рабочая точка остается в положении В. Восстановление управляющихсвойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании на время, большеевремени его закрывания.
В открытомсостоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) иоказывает им малое сопротивление. В этом его преимущество. Применяя тиристоры,следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в моментоткрывания может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики этиброски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.
Зарядкаконденсатора через открывшийся тиристор может вывести последний из строя.Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включаютдроссель. 2.3. Управляемыйвыпрямитель на тиристоре
Ввыпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или принагрузке, начинающейся с индуктивного элемента.
В управляемыйвыпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электродуподводят от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздываниемна угол aотносительновыпрямляемого напряжения (рис. 2.1.3).
Через тиристорVS1, включающийся в момент, соответствующий wt =aна выход выпрямителя передаетсянапряжение первой фазы вторичной обмотки e21. При wt=pнапряжение e21 становитсяотрицательным, однако тиристор запереться не может, так как это привело бы кобрыву тока, проходящего через дроссель L. Индуктивность дросселя L выбираютбольшей критической, чем и поддерживают непрерывный ток. Поэтому в те моменты,когда e21 отрицательно, на дросселе L наводится ЭДС самоиндукции с полярностьюи значением, обеспечивающими напряжение на катоде, меньше e21.
При wt=p+aоткрывается тиристор VS2, черезкоторый на выход передается напряжение e22, являющееся на данном этапеположительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 оказавшисьобесточенным и смещенным в обратном направлении, запирается и т. д. Такимобразом, напряжение на выходе выпрямителя e0 создается лишь теми частяминапряжений вторичных полуобмоток E21 и E22, которые соответствуют открытомусостоянию тиристоров.

Рис.2.1.4.Схема регулировки выпрямления напряжения.
Напряжениена нагрузке, получающееся почти равным постоянной составляющей напряжения e0,подводимого к фильтру LС, растет при уменьшении угла aи спадает при его увеличении.Регулировка выпрямленного напряжения, достигаемая изменением фазы управляющихимпульсов, не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемомвыпрямителе, что является основным его преимуществом.
Схемывыпрямления с тиристорами такие же, как обычных выпрямителей. Основное вниманиедалее уделяется двухфазным схемам выпрямителей.
Дляпростоты полагаем падение напряжения на открытом тиристоре много меньшим (рис. 2.1.4.)выпрямленного напряжения, а токи утечки (прямой ток при закрытом тиристоре иобратный ток при отрицательном напряжении) – малыми по сравнению с токомнагрузки. Это позволит считать тиристор идеальным (прямое падение напряжения врежиме насыщения, прямой и обратный токи утечки, а также ток отключения в немравны нулю). Такие упрощения не приведут к большой погрешности, так как токчерез вентиль схемы определяется сопротивлением нагрузки, а не фазы. По этой жепричине можем считать идеальными дроссель L и трансформатор, т. е. пренебречьиндуктивностью рассеяния и активными сопротивлениями их обмоток.

(2.1.1)
(3.5) Сначала рассмотрим одну первую фазу регулируемого выпрямителя (рис. 2.1.4).Нагрузку выпрямителя полагаем состоящей из дросселя L и конденсатора С,образующих фильтр, и активной нагрузки R, а выходное напряжение — постоянным иравным е0. Исходя из графика
(рис. 2.1.3)запишем

Здесь принято, что в силу идеальности трансформатора и вентилянапряжение e0 совпадает с ЭДС первой фазы трансформатора e21 в интервале
awtp+a: (2.1.2)
e0=e21 (2.1.3.)
Падение напряжения на дросселе L равно разности напряжений e21 и E0, и,следовательно, его ток


(2.1.5)
Постояннуюинтегрирования определим из условия баланса постоянных токов. Среднее значениетока iL на интервале α¸p+aдолжно быть равно току нагрузки.Подставив найденное таким образом значение C, получим
Выпрямленное напряжение получается, если тиристор каждой из фаз открытдо тех пор, пока не вступит в работу следующая фаза. Однако это верно лишь втом случае, когда ток дросселя к моменту открывания вентиля следующей фазыположителен и напряжение, получаемое в момент включения с включающейся фазы,больше напряжения на конденсаторе. Последнее условие выполняется при α>32,5°, что обеспечивает рост тока дросселя сразу после включения тиристора.

(2.1.6)
Подставивв wt=p+a запишем это условие в виде

(2.1.7)
Так как е0определяется выражением, условие непрерывности тока в дросселе можно записать иначе:

(2.1.8)
Оно идолжно выполняться для углов a> 32,5°.Если индуктивность дросселя L- меньше Lкр, где

(2.1.9)
илисопротивление нагрузки выпрямителя больше Rmax где
то ток в дросселе станет равным нулю раньше, чем откроется тиристорвторой фазы. Как только ток станет равным нулю, тиристор обесточится ивыключится. Такой режим не очень выгоден, так как связан с большими переменнымисоставляющими токов тиристоров и обмоток трансформатора. Поэтому чаще всего индуктивностьдросселя L выбирают такой, чтобы при максимально возможном сопротивлениинагрузки удовлетворялось условие непрерывности тока.


(2.1.10) В режиме непрерывного тока дросселя ток фазы приближается по форме кпрямоугольной (рис. 2.1.5, а, б ). Его действующее значение без учета пульсаций
Действующее значение тока первичной обмотки, в которуютрансформируются, не перекрываясь во времени, токи двух фаз, получается в раз больше, чем токnlr, т. е.

Рис.2.1.5. Ток дросселя.
По форме токпервичной обмотки в каждый из полупериодов повторяет ток фазы, равный току iL(рис. 2.1.5, в). Первая гармоникаэтого тока при малых пульсациях сдвинута на угол α. относительно напряжения на первичнойобмотке.
Таким образом,при тиристорный выпрямительпотребляет от сети не только активный, но и реактивный ток. Это являетсянедостатком такого выпрямителя.
Полный перепадпульсаций на выходном конденсаторе Снайдем так же, как и при исследовании неуправляемого выпрямителя. В результатеполучим выражение:

Здеськоэффициент D(a) являетсяфункцией угла a.
Подводя итог,отметим следующие особенности схемы тиристорного регулируемого выпрямителя:
1)снижениевыходного напряжения в тиристорном выпрямителе достигается благодаря уменьшениюотбора мощности от сети переменного тока; оно не связано с гашением значительнойее части в выпрямителе;
2)прирегулировке выпрямитель потребляет не только активную, но и реактивнуюмощностью сети переменного тока;
3)при измененииугла регулирования aот 0 до 0,5pвыходноенапряжение меняется от максимума до 0;
4)пульсация выпрямленногонапряжения заметно возрастает с ростом угла регулирования;

(2.1.13)
5)режим непрерывного тока вдросселе нарушается, если не соблюдается отношение. Глава 3.Практические разработки регуляторов мощности на тиристорах3.1. Регулятор напряжения на тиристореКУ201К
Устройство,схема которого приведена на рисунке, можно использовать для регулировкинапряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сетипеременного тока напряжением 127 и 220 В. Напряжение на нагрузке можно менять отнуля до номинального напряжения сети.

Рис. 3.1.1. Принципиальная схема регуляторанапряжения.
Тиристор VS1, включенный в диагональ моста, составленного издиодов VD1—VD4 играет роль управляемого ключа, который открывается при разрядеконденсатора С1 через ограничительный резистор R2 и управляющий переходтиристора при включении переключающего диода VD 6. Напряжение, при которомтиристор включается, можно регулировать потенциометром R1. Вместопереключающего диода VD6 можноиспользовать стабилитрон, но в этом случае уменьшается диапазон регулировкинапряжения на нагрузке.3.2. Мощныйуправляемый выпрямитель на тиристорах
На первых двухрисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечиваютмаксимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15в (рис. 3.2.1) и от 0,5 до 15 в (рис. 3.2.2).
В течение одногополупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катоданапряжение.

Рис. 3.2.1. Принципиальная схема выпрямителя №1.
Пока на управляющийэлектрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска,тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольныйугол задержки α между напряжениями на управляющем электроде и катодеприкладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание токачерез тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярностинапряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величиныуправляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинаетработать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению кприложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания токаи приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленноготока (напряжения) нагрузки от максимума (α = 0) до нуля (α = π).
Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. ДиодыД3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время,когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широкихпределов регулировки α (0 — π) применены RC — цепи.
В выпрямителе(рис.3.2.2) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и вотрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, чтоприводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, куменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этогоявления включен диод Д3.

Определение, виды и назначение тиристоров. Теоретическое и практическое описание принципа действия полупроводниковых приборов и их основных параметров. Упрощённые типичные схемы силовых частей управляемых выпрямителей, их достоинства и недостатки.

Подобные документы

Блоки питания аппаратуры. Выпрямители электросиловых установок. Сварочные аппараты. Достоинства и недостатки однофазной мостовой схемы. Полупроводниковые схемы выпрямления на тиристорах. Монтаж и обслуживание преобразовательной полупроводниковой техники.

курсовая работа, добавлен 01.02.2011

Предельные эксплуатационные данные выпрямительного диода Д302. Назначение и электрические параметры стабилитрона КС156А. Определение параметров биполярного транзистора ГТ308Б по их статическим вольтамперным характеристикам, его входное сопротивление.

курсовая работа, добавлен 21.11.2014

Физические элементы полупроводниковых приборов. Электрический переход. Резкий переход. Плоскостной переход. Диффузионный переход. Планарный переход. Явления в полупроводниковых приборах. Виды полупроводниковых приборов. Элементы конструкции.

реферат, добавлен 14.02.2003

Структурная схема и параметры выпрямителей, вентильная группа, сглаживающие фильтры и стабилизатор напряжения. Схемы, принцип действия, параметры и характеристики однофазных выпрямителей, сравнение двухполупериодных выпрямителей с однополупериодными.

реферат, добавлен 25.10.2010

Применение полупроводниковых приборов в радиоэлектронике. Типы тиристоров, понятие о динисторах, их вольтамперная характеристика и параметры, проектирование структуры. Виды и выбор полупроводникового материала. Время жизни неосновных носителей заряда.

курсовая работа, добавлен 18.12.2009

Электрофизические свойства полупроводниковых материалов, их применение для изготовления полупроводниковых приборов и устройств микроэлектроники. Основы зонной теории твердого тела. Энергетические зоны полупроводников. Физические основы наноэлектроники.

курсовая работа, добавлен 28.03.2016

Применение компьютерных программ моделирования для изучения полупроводниковых приборов и структур. Оценка влияния режимов работы и внешних факторов на их основные электрические характеристики. Изучение особенностей основных полупроводниковых приборов.

дипломная работа, добавлен 16.05.2013

Общая характеристика и основные элементы потенциометрического датчика, его достоинства и недостатки. Определение основных конструктивных параметров каркаса и обмотки. Расчет температурного режима датчика. Определение характеристик надёжности работы схемы.

контрольная работа, добавлен 07.02.2013

Потенциометры и реостаты - простейшие регуляторы напряжения и тока. Виды и принцип работы. Высокая эффективность управляемых выпрямителей для регулирования U и I. Параметрические стабилизаторы постоянного и переменного тока, недостатки и применение.

реферат, добавлен 10.02.2009

Расчет неуправляемого выпрямителя с активной нагрузкой и с емкостным фильтром. Расчет выпрямителя с фильтром и ответвляющим диодом. Подбор трансформатора для двухфазной однотактовой схемы выпрямления. Разработка электрической схемы и печатной платы.

Спроектировать управляемый выпрямитель по трёхфазной мостовой схемы и управляемый микроконтроллером, обладающий следующими параметрами:

Область регулируемого напряжения 10 – 250 В;

Максимальный выпрямленный ток 75 А;

Схема выпрямления 3-х фазная, мостовая;

Силовые выпрямляющие элементы оптотиристоры;

Схема управления микроконтроллерная;

Аннотация

Задачей данного курсового проекта является разработка управляемого выпрямит большой мощности, обладающего высоким КПД и высокой точностью и стабильностью управляемого напряжения.

Пояснительная записка к курсовому проекту состоит из теоретической и собственно проектной части. Теоретическая часть включает в себя обзор стандартных схем построения управляемых выпрямителей, описаны достоинства и недостатки каждой схемы.

Проектная часть содержит принципиальную схему управляемого выпрямителя с ее обоснованием и расчетом..

Содержание

Введение.

Постоянный прогресс в области электроники приводит к непрерывному совершенствованию элементной базы электронных устройств, что дает возможность разрабатывать новые устройства, которые по сравнению с разработанными ранее устройствами обладают важными преимуществами такими как:

улучшение основных параметров;

простотой схемной реализации;

удобством в эксплуатации устройств;

более низкой себестоимостью;

С развитием силовой электроники проявляется всё большая потребность в универсальных силовых выпрямителях и особенно в управляемых.

Теперь с развитием микроконтроллерной отрасли и появлением оптотиристоров на большие токи и напряжения появилась возможность спроектировать управляемые выпрямители по очень простой схеме.

Применение оптотиристоров привело к упрощению выходной части схемы управления.

Применение микроконтроллеров позволило:

упростить схему управления буквально до одной микросхем;

включить в себя функцию контроля входных и выходных напряжений;

автоматически регулировать выходного напряжения по заданному алгоритму в зависимости от внешних факторов;

удалённому контролю и управлению выпрямителем.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители на тиристорах позволяют:

1) выпрямлять переменное напряжение;

2) регулировать величину среднего значения этого напряжения U d (постоянную составляющую).

Регулирование ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля Среднее значение выпрямленного напряжения U d  , определяемые заштрихованной площадью, будет меньше U d0 . Чем больше угол задержки  , тем меньше U d  .

Приведём упрощённые типичные схемы силовых частей управляемых выпрямителей с описанием каждой достоинств и недостатков.

Однофазный управляемый выпрямитель

Достоинства : минимальное количество, простота реализации., простота системы управления.

Недостатки : низкий КПД , высокая пульсация выпрямленного напряжения.

Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой

Достоинства : разгрузка режима работы тиристоров, высокий КПД. низкая пульсация выпрямленного напряжения

Недостатки : усложнённая система управления, увеличенный размер трансформатора

Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя

Достоинства : оптимальное использование возможностей трансформатора,, высокий КПД. низкая пульсация выпрямленного напряжения.

Недостатки : усложнённая система управления, большое число элементов схемы выпрямления.

Трёхфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом

Достоинства : возможное создание выпрямителей большой мощности , высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации.

Недостатки : сложная система управления, неэффективное использование возможностей трансформатора

Мостовой трёхфазный управляемый выпрямитель

Достоинства : возможное создание выпрямителей большой мощности , высокий КПД, низкая пульсация выпрямленного напряжения, простота реализации, эффективное использование возможностей трансформатора

Недостатки : сложная система управления, , большое число элементов схемы выпрямления.

Описание работы схемы

На основе 3-х фазной мостовой схемы конструируются самые мощные выпрямители, обладающими КПД близким к 100%.

Трансформатор Тр1 выполняет функции гальванической развязки выпрямленного напряжения с питающей сетью, а также для согласования уровней напряжений питающей сени и выпрямляемого напряжения.

Преобразование переменного напряжения в постоянное основано на свойстве вентилей пропускать ток только в одном направлении. В качестве силовых выпрямляющих вентилей выберем оптотиристоры VO1 – VO6 , что позволит исключить из схемы управления тиристорами импульсные трансформаторы.

Регулирование уровня напряжения ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля. Среднее значение выпрямленного напряжения будет меньше выпрямляемого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр1. Чем больше угол задержки  , тем меньше выпрямленное напряжение .

Для усиления тока, который может обеспечить микроконтроллер до тока, необходимого для отпирания тиристора используются транзисторы VT1 – VT6, включённые по схеме с общим эмиттером. Надёжное закрывание транзисторов VT1 – VT6 обеспечивается подачей отрицательного напряжения на базы через резисторы R23, R33, . ,R73, которое получено путём добавления диодов VD21, VD31, … , VD71 в эмиттерные цепи. Начальный ток диодов задают резисторы R24, R34, . , R74

Логическую часть системы управления выполняет микроконтроллер MPU1. Данные в микроконтроллер об уровне регулируемого напряжения и способе его регулирования вводятся с помощью кнопок “Mode+” , “Mode-“ , “Value+” , “Value-“. Контроль вводимых значений и режима работы выпрямителя осуществляется по данным , выводимым на 4-х 7-сегментный индикатор HL1.

Момент подачи управляющих импульсов на тиристоры фазы “A” определяется путём введения задержки от момента поступления синхронизирующего сигнала на входе микроконтроллера RE0, соответствующей заданным данным и пересчитанной по формуле регулировочной характеристики. Управляющие импульсы тиристорами фаз “B” и ”C” формируются путём задержки на 120 и 240 градусов соответственно, т. е. на 6,6 мс и 13,3мс.

В режиме стабилизации напряжения путём сравнения текущего с заданным начальная задержка автоматически варьируется для компенсации рассогласования. Так для повышения регулируемого напряжения первоначальная задержка уменьшается.

Управление выпрямителем и контроль

С помощью кнопок “Mode” последовательным перебором выбирается один из следующих режимов общения с системой

Индикация реального на данный момент напряжения;

Индикация реального на данный момент угла отпирания тиристоров;

Индикация выбранного режима стабилизации напряжения (по постоянному углу отпирания или по сравнению текущего напряжения с заданным);

При нажатии кнопки “Mode+” режимы меняются в порядке (2 → 3 → 1 → 2).

При нажатии кнопки “Mode-” режимы меняются в порядке (2 → 1 → 3 → 2).

Изменение режима подтверждается выводом на дисплей в течении одной секунды названием режима (НАПР, УНО, СБЗ).

Переход из режимов индикации в режим установки значений производится одновременным удержанием кнопок “Mode+” и “Mode-“ более секунды. Выбор подтверждается выводом последнего установленного значения и миганием старшего разряда, изменение значения которого становится доступно. Последующий переход к установки значений младших разрядов и выходу из режима установки производится так же одновременным нажатием кнопок “Mode+” и “Mode-.

В режиме установок нажатие кнопки “Mode+” приводит к увеличению значения мигающего разряда (0 → 1 → 2 → 3 → 4 → 5 → 6 → 7 → 8 → 9 → 9 → 9 ),.

нажатие кнопки “Mode-” приводит к уменьшению значения мигающего разряда ( 9 → 8 → 7 → 6 → 5 → 4 → 3 → 2 → 1 → 0 → 0 → 0),

Изменения вступают в силу в момент выхода из режима установки..

Расчёт параметров силового трансформатора

1. Фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора определим по формуле

U 2 = K н * K u * K α * K r * U d н ,

где U d н – максимальное значение среднего напряжения нагрузки;

K н – коэффициент схемы, определяющий связь между выпрямленным напряжением и фазным напряжением на вторичной стороне трансформатора;

K u - коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможное снижение напряжения в сети;

K α – коэффициент запаса, учитывающий ограничение угла открывания вентилей при максимальном управляющем сигнале;

K r – коэффициент запаса, учитывающий падение напряжения в обмотках трансформатора, вентилях и в результате коммутации токов

U 2 = (3,14/3*√6) * 1,2 * 1,1 * 1,05 * 250 = 148 В.

U 3 = (1/√2) * 1,1 * 1,05 * 10 = 8 В.

2. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I 2 = K i * K T2 * I d ,

I 3 = 2 * √ * 2 * U 3 / R 3 ,

где K i – коэффициент, учитывающий отклонение формы тока от прямоугольной;

K T 2 – коэффициент схемы, определяющий соотношение между выпрямленным током и переменным током вторичной обмотки трансформатора;

I d – среднее значение тока нагрузки, в расчётах берётся наибольшее значение тока нагрузки (при α = α мин ), т.е. I d = I d н .

I 2 = 1,1 * √(2/3)* 75 = 67 А.

I 3 = 2√2 * 300 mA = 850 mА.

3. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора

I = K i * K t1 * I d / K тр ,

где K t 1 - коэффициент схемы, определяющий соотношение между выпрямленным током и переменным током первичной обмотки трансформатора;

K тр – коэффициент трансформации трансформатора ;

U 2 – фазное напряжение первичной обмотки трансформатора.

I = 1,1 * √(2/3) * 75 / 1,5 = 44,6 А.

4. Расчётная типовая мощность трансформатора

S ТР = K T * U d * I d ,

где K T – коэффициент схемы.

S ТР = 1,05 * 250 * 75 = 19687,5 вт.

Выбор вентилей

1. Среднее значение тока вентиля

где K TB - коэффициент схемы.

I в = 1/3 * 75 = 25 А.

2. Классификационное значение предельного тока вентиля при заданном типе охладителя, указываемое в каталогах, определяется по формуле

I n 0 = K эт * I в

где К эт - коэффициент запаса по току, выбираемый исходя из надежности работы вентиля и с учетом пусковых токов.

I n 0 = 1,25 * 25 = 31,25 А.

3. Максимальная величина обратного напряжения, прикладываемого к вентилю, определяется по формуле

U ВМ = U 2 * K НВ ,

где К НВ - коэффициент схемы ;

UВМ = 148 * √6 = 363 В.

Повторяющееся напряжение, определяющее класс вентиля, выбирается с запасом :

U П ≥ U ВМ / K зн ,

где К зн - коэффициент запаса по напряжению.

U П ≥ 363/ 0,8 = 453 В

Выберем по справочнику прибор со следующими параметрами:

Тип прибора – ТО132-40-6

Максимально допустимый действующий ток в открытом состоянии – 40 А.

Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии: наибольшее мгновенное значение напряжения в закрытом состоянии, прикладываемое к тиристору, включая только повторяющиеся переходные напряжения – 600 В.

Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии: наибольший ток в открытом состоянии, протекание которого вызывает превышение максимально допустимой температуры перехода, но воздействие которого за время службы тиристора предполагается редким, с ограниченным числом повторений – 750 А.

Отпирающий постоянный ток управления: наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора – 150 мА.

Отпирающее импульсное напряжение управления – 2,5 В.

пороговое напряжение (напряжение отсечки) - 1,15 В.

динамическое (дифференциальное) сопротивление прямой вольтамперной характеристики вентиля в открытом состоянии - 6 Ом.

общее установившееся тепловое сопротивление - 0,3 °С/Вт

Расчет температуры нагрева вентиля

1 Температура полупроводниковой структуры Т р „ п зависит от мощности потерь , образующихся в полупроводниковой структуре.

В нормальных режимах работы на частотах не более 200Гц потери в основном обусловлены протеканием прямого тока прибора. Эти потери составляют 95+98 % от полных потерь в приборе и определяются выражением

ΔP = U 0 * I B + R д * K ф 2 * I B 2 ,

где U 0 - пороговое напряжение (напряжение отсечки), В;

I B - среднее за период значение прямого тока вентиля. А;

R д - динамическое (дифференциальное) сопротивление прямой вольт-амперной характеристики вентиля в открытом состоянии , Ом ;

Кф = I эф / I B - коэффициент формы тока , протекающего через прибор;

I эф и I B - среднее по модулю и эффективное значение прямого тока, протекающего через вентиль .

В этом случае дополнительными потерями обычно пренебрегают .

ΔP = 1,15 * 25 = 28,75 Вт.

2 Эквивалентная температура полупроводниковой структуры определяется выражением

T p - n = T c + ΔP * R T

где Т с - температура окружающей среды (или охлаждающего агента при принудительном охлаждении) , °С;

R T - общее установившееся тепловое сопротивление,

(зависит от типа охладителя и интенсивности охлаждения), °С/Вт.

T p - n = 60 + 28,75 * 0,3 = 69°

выполняться условие нормальной работы прибора

Регулировочная характеристика преобразователя

Регулировочная характеристика преобразователя представляет собой зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от угла открывания вентилей а. Вид регулировочной характеристики определяется типом нагрузки (индуктивная или активная) и схемой силовой части преобразователя .

В идеальном преобразователе при чисто индуктивной нагрузке (L н = ∞) изменение напряжения нагрузки от максимального значения U do до нуля происходит при изменении угла открывания тиристоров в пределах от нуля до 90 эл. град, Теоретическая регулировочная характеристика таких преобразователей описывается уравнением ~

где Udo — среднее значение выпрямленного напряжения при α =0.

При реальной активно-индуктивной нагрузке (L Н ≠α ) в таких преобразователях, если α > 90 эл. град., наступает режим прерывистого тока и средние значения тока и напряжения нагрузки не равны нулю.

При чисто активной нагрузке (L Н = 0) диапазон регулирования угла открывания вентилей и вид регулировочной характеристики преобразователя меняются.

Теоретическая регулировочная характеристика при чисто активной нагрузке описывается уравнениями:

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

В данной работе рассмотрены несколько вариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторов напряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическое описания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.

Управляемый выпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентом усиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.

В данной работе рассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечивают максимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15 В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного тока напряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжения сети.

Глава 1. Понятие о тиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия 1.1. Определение, виды тиристоров

Тиристором называют полупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура, способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристоры предназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт (управляемый диод).

Простейшим тиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n (рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а средний p-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом.

В отличие от несимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорах обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).

Рис. 1.1.1. Обозначения на схемах: а) симистора б) динистора в) тринистора. Рис. 1.1.2. Структура динистора.

Рис. 1.1.3. Структура тринистора.

1.2. Принцип действия

При включении динистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рис. 1.2.3).

Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемого тиристора (динистора).

Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемого тиристора (тринистора).

Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора.

Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора. Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл. При напряжении Uвкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический

Файл: Реферат ВЫПРЯМИТЕЛИ.docx

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлена: 30.04.2019

Скачиваний: 84


1 Общие принципы построения выпрямительных устройств………………….3

1.2 Структурная схема и классификация выпрямителей………………….3

1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей………………….4

2 Основные схемы выпрямления………………………………………………. 6

2.1 Однофазные выпрямители………………………………………………6

2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)…..7

2.3 Мостовая схема (схема Греца)………………………………………. 10

3 Трехфазные выпрямители…………………………………………………….12

3.1 Трехфазная нулевая схема (звезда-звезда)……………………………12

3.2 Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)……………………. 13

Список использованной литературы……………………………………………16

Производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряжения. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30-35%) используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.

Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Основными элементами полупроводниковых выпрямителей являются трансформатор и вентили, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходным зажимам выпрямителя подключают электрический сглаживающий фильтр. Для регулирования или стабилизации выпрямленного напряжения и тока потребителя к выходным зажимам фильтра подключают регулятор или стабилизатор (стабилизатор может быть включён и на стороне переменного тока выпрямителя).

Режимы работы и параметры отдельных элементов выпрямителя, фильтра, регулятора и стабилизатора согласуются с заданными условиями работы потребителя постоянного тока, поэтому основная задача теории выпрямительных устройств сводится к определению расчётных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя определить электрические параметры элементов стабилизатора, регулятора, фильтра, а также вентилей и трансформатора выпрямителя и затем произвести выбор этих элементов по каталогу или, если это необходимо, рассчитать их.

1 Общие принципы построения выпрямительных устройств

1.2 Структурная схема и классификация выпрямителей

Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят:

силовой трансформатор (СТ),

вентильный блок (ВБ),

фильтрующее устройство (ФУ),

цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН) .

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами.

Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления. Напряжение вторичной обмотки трансформатора U 2 определяет значение выпрямленного напряжения U н (или U d ).

Трансформатор позволяет одновременно гальванически развязать питающую сеть U 1 , I 1 с частотой f 1 , и цепь нагрузки с U н , I н (или U d , I d ). В последнее время в связи с появившейся возможностью разрабатывать и изготавливать высоковольтные инверторы, работающие на высокой частоте и при непосредственном выпрямлении напряжения сети, используются беcтрансформаторные схемы выпрямления, в которых вентильный блок присоединяется непосредственно к первичной питающей сети.


Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока. В вентильном блоке используются, как правило, полупроводниковые диоды или сборки на их основе. На выходе вентильного блока получают знакопостоянное напряжение с высоким уровнем пульсаций, определяемым только числом фаз питающей сети и выбранной схемой выпрямления.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы. Иногда ФУ строится по более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности установка резистора или дросселя не обязательна.

При использовании многофазных (чаще всего трехфазных) схем выпрямления уровень пульсаций естественно снижается, и облегчаются условия работы ФУ.

Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.

1.2 Классификация полупроводниковых выпрямителей

Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам :

1) по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);

2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);

3) по пульсности ( р ) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U 1 ;

4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U 2 за период питающего напряжения:

Выпрямители могут быть построены на управляемых вентилях (тиристорах, транзисторах) – управляемые выпрямители и на неуправляемых вентилях (диодах) – неуправляемые выпрямители.

Для работы и расчета выпрямителя принципиальное значение имеет характер нагрузки включенной на выходе выпрямителя. Различают следующие режимы работы выпрямителя:

а) на активную нагрузку;

б) на активно-индуктивную нагрузку;

в) на активно-емкостную нагрузку;

Разные формы потребляемых из сети токов и их продолжительность при различном характере нагрузки выпрямителя приводит к тому, что методы расчетов выпрямителей существенно различаются.

Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы выпрямления, типа диодов, определению электромагнитных нагрузок на обмотках трансформатора, диодах и элементах сглаживающего фильтра, а также энергетических показателей.

Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устрой­ству. К ним относятся:

- величины выпрямленного напряжения и мощности;

- частота и величина пульсации выпрямленного напряжения;

- число диодов и величина обратного напряжения на них;

- коэффициент полезного действия (к.п.д.);

- коэффициент мощности и другие энергетические показатели.

При расчете выпрямителя большое значение имеет также коэффи­циент использования трансформатора по мощности , который определяется как:

где U d , I d - средние значения выпрямленного напряжения и тока, U 1 , I 1 - действующие значения первичного напряжения и тока, U 2 , I 2 - действующие значения вторичного напряжения и тока.

При увеличении коэффициента использования трансформатора габариты выпрямителя в целом уменьшаются, а коэффициент полезного действия возрастает.

2 Основные схемы выпрямления

2.1 Однофазные выпрямители

Схемы выпрямителей однофазного питания применяются в основном для питания бытовых потребителей (бытовых устройств) и используют однофазные трансформаторы, в которых ток течет по двум проводам - фаза и ноль. Первичная и вторичная обмотка трансформаторов таких выпрямителей является однофазной.

Однофазная, однополупериодная схема.

Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют для выпрямления токов до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризу­ется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б.

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Под действием ЭДС вторичной обмотки e 2 ток в цепи нагрузки i d может проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает ток i vd в первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжение u d в любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки e 2 , так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлением r ). Максимальное обратное напряжение на вентиле U обрmax , как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки E 2m .

Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую I d , которая в первичную обмотку не трансформируется . В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом.

2.2 Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD 1 и VD 2 . Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w 21 и w 22 находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD 1 и VD 2 проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD 1 и ток i vd1 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w 21 трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD 2 , ток i vd2 проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w 22 трансформатора, причем в цепи нагрузки ток i d проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода . В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток i 21 и i 22 в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания.

Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой.

Выходное напряжение u d снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

Читайте также: