Управляемые выпрямители. К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях

К силовым устройствам относят такие электронные устройства, которые обеспечивают преобразование энергии в электрических цепях, токи в которых измеряются десятками, сотнями и даже тысячами ампер, а величины напряжения — сотнями и тысячами вольт. Такие устройства чаще всего выполняются на основе тиристоров, которые, по существу, являются мощными управляемыми ключами. В отличие от ключей на полевых транзисторах тиристорный ключ пропускает ток только в прямом направлении, как и обычный выпрямительный диод, но для этого он должен быть открыт подачей импульса напряжения на управляющий электрод.

Тиристоры используются как для преобразования переменного напряжения в постоянное, так и наоборот. К первым относят управляемые выпрямители, к вторым — инверторы. Управляемые выпрямители на основе тиристоров позволяют изменять постоянную составляющую напряжения U₀ от нуля до максимального значения, определяемого формулами для диодных выпрямителей, при неизменном напряжении сети переменного тока. Для этого в схемах рис. 2.28 и 2.29 выпрямительные диоды заменяют тиристорами (см. параграф 1.5).

Рис. 2.33. Однополупериодный тиристорный выпрямитель:

а — схема подключения и принцип работы; б — структурная схема; в — графики, поясняющие работу выпрямителя

Рассмотрим принцип работы таких схем на примере однополупериодного выпрямителя (см. рис. 2.28, а).

К синусоидальному напряжению сети U_c с амплитудой U_max подключены нагрузка R и тиристор VS (рис. 2.33, а). Тиристор открывается в момент времени, определяемый подачей на управляющий электрод УЭ импульса напряжения от схемы управления (если полупериод соответствует π, то этот момент времени соответствует углу α). В результате в течение интервала α — π к нагрузке подводится напряжение, заштрихованное на рис. 2.33, г, и по ней протекает ток.

В момент времени ωt = π ток уменьшается до нуля и тиристор запирается. Этот процесс повторяется каждый положительный полупериод (в отрицательные полупериоды тиристор заперт напряжением сети).

Структурная схема управления однополупериодного тиристорного выпрямителя показана на рис. 2.33, в , а графики, поясняющие работу выпрямителя, — на рис. 2.33, г. Напряжение сети поступает на синхронизирующее устройство СУ, которое в моменты перехода напряжения через нуль осуществляет запуск генератора пилообразного напряжения ГПН. Таким образом, в начале каждого полупериода напряжения сети U_c ГПН формирует линейно нарастающее опорное напряжение U_оп. Это напряжение поступает на один из входов схемы сравнения СС, выполняемой на основе компаратора. На другой вход СС поступает управляющее напряжение U_y постоянного тока. В течение времени, пока напряжение U_оп меньше напряжения U_y, на выходе СС низкий уровень напряжения U_cc, когда же напряжение U_оп больше напряжения U_y, на выходе СС высокий уровень напряжения U_cc. По переднему фронту импульса U_cc формирователь импульсов ФИ формирует импульсы напряжения U_фи, которые подаются на УЭ тиристора и открывают его.

Изменяя U_y, обеспечивают изменение угла α, т.е. момента открытия тиристора, и, таким образом, изменение времени, в течение которого через нагрузку течет ток. В результате изменяется и постоянная составляющая напряжения U₀, равная среднему за период напряжению на нагрузке:

.

Напряжение U₀ увеличивается вдвое при использовании двухполупериодного (см. рис. 2.28, б) управляемого выпрямителя. Так как ток нагрузки в один полупериод протекает через диоды VD1, VD3, а в другой — через VD2, VD4, для управления током в каждом полупериоде достаточно одного тиристора. Таким образом, управляемый выпрямитель можно построить на основе мостовой схемы, заменив два диода, например VD1 и VD2, на тиристоры.

Аналогично получают и трехфазные управляемые выпрямители, заменяя в схемах (см. рис. 2.29, а и в) диоды на тиристоры.

Такие управляемые выпрямители используют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока в электроприводах металлорежущих станков и транспортных средств.