Повышение надежности выпрямителей с тиристорным регулятором напряжения

Федюков А. АПаршуков М. Ю.

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ С ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

Устройства проверки и тренировки мощных электровакуумных приборов, как и любых усилительных приборов вообще (например, мощных полевых транзисторов) - это, прежде всего набор источников питания которые

должны надлежащим образом обеспечить режимы измерения его параметров. Поскольку возникает необходимость испытания и тренировки приборов разных типов, источники питания такого устройства должны обеспечить возможность регулировки напряжений в достаточно широких пределах.

По ряду причин (возможность включения без нагрузки, необходимость обеспечения низкого уровня помех) пришлось отказаться от применения схем с высокочастотным преобразователем напряжения ("импульсного" источника питания).

При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с проблемой, когда при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатора рассеивается большая мощность. В большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон

регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийно выпущенных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что эксплуатация источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, особенно усложняется дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ, и соответственно увеличивается стоимость измерительной установки.

Использование управляемого выпрямителя на тиристоре позволяет построить источник питания с удобной схемой управления, совместимой с ЭВМ. Такой источник питания можно будет изготовить из доступных готовых деталей, имеющихся в продаже.

К настоящему моменту теория построения управляемых выпрямителей на тиристорах описана и весьма подробно в литературе по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания они применяются редко.

При необходимости описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах "Электроника Ц4 32". Также их можно использовать для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр, в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.

Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по любой другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке ин выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке ин, а выпрямление производится другими приборами.

Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения, обозначенные ивыпр. Частота пульсаций :£п на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100 Гц при питании от сети 50 Гц. Схема управления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой tз относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя ивыпр становится равным нулю.

Рис. 2.

Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка tз превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристо-

ра, тем меньше получится выпрямленное напряжение ин на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке ин сглаживаются конденсатором фильтра Сф. Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на

диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается, что подзаряд емкости фильтра Сф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, как правило, намного меньше периода пульсаций Тп.

Для случая, когда задержка момента включения тиристора tз равна половине периода пульсаций (см. рис.

3) тиристор будет включаться в момент максимума выходного напряжения выпрямителя.

Рис. 3.

В этом случае напряжение на нагрузке ин будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).

Предположим, что требуется регулировать напряжение на нагрузке до максимального значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущений потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в моменты времени, когда ивыпр проходит через максимум, т. е. tз=Tп/2. С учетом того, что тиристор открывается не мгновенно, а подзарядка конденсатора фильтра Сф также требует некоторого времени, запускающий импульс необходимо подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. tз<Tп/2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения tз, частота сети, а значит, частота и период Тп пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке ин необходимо подать отпирающий импульс на тиристор несколько раньше половины периода пульсаций.

Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра Сф (см. первый импульс на рис. 4).

Рис. 4.

Оказывается, что при малом времени задержки tз возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор открывающего импульса напряжение на нагрузке ин оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя ивыпр. В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием отпирающего импульса. При таком режиме работы один или несколько отпирающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис.

4) . Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.

Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет протекать постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.

Избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора можно, отказавшись от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Избежать подобного режима можно, используя следующую схему тиристорного регулятора (см. рис.

5).

Рис. 5.

Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление Яп, а конденсатор фильтра Сф и нагрузка Ян подключены через пусковой диод УБд. В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра Сф. После подачи отпирающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление Яд и, затем, когда напряжение на Яд превысит напряжение на нагрузке ин, открывается пусковой диод УБп и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра Сф. Сопротивление Яп выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса tз. Однако, на пусковом резисторе бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, в этом случае можно применить пусковой резистор большой величины и тем самым снизить потери мощности.

Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод УБп, на котором бесполезно также теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление Яп к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление Яп, приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.

Рис.6.

Пример практической схемы, в которой использованы изложенные выше принципы, приведен на рис. 7.

т. к. по сравнению с Силовой трансформа-

Рис. 7.

В схеме на рис. 7. использован двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, мостом в ней содержится меньше диодов, поэтому нужно меньше радиаторов и выше КПД. тор Т1 имеет две вторичные обмотки на переменное напряжение 15У. Схема управления тиристором здесь состоит из конденсатора С1, резисторов Я1-Я6, транзисторов УТ1 и УТ2, диода УБ5.

Рассмотрим работу схемы. Конденсатор С1 заряжается через переменный резистор Я2 и постоянный Я1. Когда напряжение на конденсаторе С1 превысит напряжение в точке соединения резисторов Я 4 и Я5, открывается транзистор УТ1. Коллекторный ток транзистора УТ1 открывает УТ2. В свою очередь, коллекторный ток УТ2 открывает УТ1. Таким образом, транзисторы лавинообразно открываются и происходит разряд конденсатора С1 в управляющий электрод тиристора УБ1. Так получается запускающий импульс. Изменяя переменным резистором Я2 время задержки запускающего импульса, можно регулировать выходное напряжение схемы. Чем больше его сопротивление, тем медленнее происходит заряд конденсатора С1, больше время задержки запускающего импульса и ниже выходное напряжение на нагрузке. Резистор Я1, включенный последовательно с переменным резистором Я2, ограничивает минимальное время задержки импульса. Если его сильно уменьшить, то при минимальном сопротивлении переменного резистора Я2 выходное напряжение будет скачком исчезать. Поэтому Я1 подобрано таким образом, чтобы схема устойчиво работала при Я2 в положении минимального сопротивления (соответствует наибольшему выходному напряжению).

Резистор Я3 установлен для устранения влияния наводок на работу схемы управления. Диод УБ5 устраняет влияние тиристора на схему управления. Резистор Я 6 в цепи управляющего электрода тиристора УБ1 повышает надежность его работы. Иногда этот резистор ставят большей величины или не ставят вовсе, однако без него тиристор может самопроизвольно открываться под действием помех и утечек в цепи управляющего элек-

трода. В схеме рис. 7 установлен Я6 величиной 51 Ом, как рекомендовано в справочных данных тиристоров КУ202. Резистор Я7 обеспечивает надежный запуск тиристора при малом времени задержки запускающего импульса (см. рис. 5 и 6). Конденсатор С2 сглаживает пульсации напряжения на выходе схемы.

В заключение следует отметить, что в схемах на рис. 6 и 7 питание схемы управления и нагрузки производилось от одних и тех же обмоток силового трансформатора. При изготовлении высоковольтных источников питания можно будет повысить КПД, если схему управления питать от отдельного низковольтного выпрямителя.