Схемы управления тиристорами

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

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА

Доклад

Тема:  Схемы управления тиристорами

По научной работе                                                       выполнил  _______________   Спирин А.П.

                             подпись, дата 

Руководитель темы                                      проверил    ________________   Загидуллин Р.Ш.

                                                                                                подпись, дата

Москва, 2007

Содержание.

 TOC o "1-3" h z u Содержание. h 2

Общие требования. h 3

Схемы управления тиристорами. h 5

Запирание тиристоров. h 14

Список используемой литературы.. h 16

СПОСОБЫ И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРАМИ

Общие требования

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

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 1 Диаграмма управления.

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

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

I_у≤I_спр; U_у≥U_спр; I_уU_у≤P_у.макс,

I_спр — ток спрямления; U_спр — напряжение спрямления.

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

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

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

где Q — скважность импульсов.

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

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

Для надежного переключе­ния тиристора в общем случае необходим    запускающий    им­пульс длительностью

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

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

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

Схемы управления тиристорами

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 3

а – триодного тиристора;

б – диаграмма работы;

в – симметричного тиристора;

г – диаграмма работы симметричного тиристора.

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

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

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

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 4

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 5

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 6

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 7

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

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 8

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

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

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

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

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

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

где R_б1б2 — междубазовое сопротивление двухбазового диода.

На рис. 8,б приведена схема генератора импульсов.

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

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

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 9

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

Для отпирания тиристора с помощью импульсного трансформатора необходимо, чтобы напряжение U_у удовлетворяло условию U_у>R_огрI_спр, а длительность входного импульса τ_у была бы большей времени t_вкл, т.е. τ_у>t_вкл.

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 10

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 11

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 12

Запирание тиристоров

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

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

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

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

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

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 13

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

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

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

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

Список используемой литературы

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

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

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

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