Схемы управления тиристорами

Московский Ордена Ленина, Ордена Октябрьской Революциии Ордена Трудового Красного Знамени
ГОСУДАРСТВЕННЫЙТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н.Э.БАУМАНА
 
 
 

Доклад
Тема:  Схемы управлениятиристорами
По научной работе                                                       выполнил  _______________   СпиринА.П.
                             подпись, дата 
Руководитель темы                                      проверил    ________________   Загидуллин Р.Ш.
                                                                                                подпись, дата
Москва, 2007
Содержание.
 TOC o «1-3» h z u Содержание.PAGEREF _Toc156829940 h 2
Общие требования. PAGEREF _Toc156829941 h 3
Схемы управления тиристорами. PAGEREF _Toc156829942 h 5
Запирание тиристоров. PAGEREF _Toc156829943 h 14
Списокиспользуемой литературы… PAGEREF _Toc156829944 h 16
СПОСОБЫ И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯТИРИСТОРАМИ
Общие требования
Основноеназначение устройств и схем управления — создание управляющего сигнала,необходимого для надежного отпирания тиристоров. Возможны три способауправления тиристорами: с помощью сигнала управления; превышением напряженияпереключения; быстро нарастающим напряжением du/dt (второй и третий способыприменяются в основном для включения диодных тиристоров).
Отпираниетиристоров с помощью сигнала управления может осуществляться от источникапостоянного, переменного и импульсного токов. Использование источниковпостоянного и импульсного токов характерно для управления триодными изапираемыми тиристорами, причем управление запираемыми тиристорами имеет рядособенностей, связанных с возможностью включения и выключения прибора с помощьюуправляющего электрода импульсами различной полярности. Симметричный тиристорпо своему назначению является переключателем переменного тока, поэтому дляуправления им часто используют источники переменного напряжения.
Требования,предъявляемые к схемам управления, вытекают из физических и конструктивныхособенностей самих приборов, поэтому параметры входной цепи удобно рассмотретьс помощью диаграммы управления, приведенной на рис. 1.
Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 1Диаграмма управления.
В поле, ограниченномкривыми ОА и ОВ, можно различить три области. В области тиристор не включается.В области   II   включение тиристоров  не гарантируется.   Границы  этой,  области    ограничены параметрамицепи управления: током спрямления Iспри напря­жением спрямления Uспр. Заштрихованная область IIIопределяетрабочее состояние тиристора. Сверху область IIIограничена кривой максимально допустимой входной мощности Ру.макс (кривая1). В зависимости от изменения температуры окружающей среды грани­цызаштрихованной области могут перемещаться влево и вниз.
Для   надежного  включения  тиристора  источник управляющего сигнала должен быть рассчитан на ток и напряжение, которыедолж­ны лежать в заштрихованной области, не превосходя при этом зна­чений,указанных в технических условиях. Условиями надежного от­тирания тиристоровявляются:                                                            
Iу≤Iспр; Uу≥Uспр; IуUу≤Pу.макс,
Iспр— ток спрямления; Uспр— напряжениеспрямления.
Линия нагрузки (кривая 2) строится из точки Еу под углом α, котангенскоторого пропорционален ограничительному сопротивлению Rу, включаявнутреннее сопротивление источника.
В технических условиях натиристоры приводятся параметры Uуи Iу, измеренные на постоянном токе, однако управление от источ­никовпостоянного тока не нашло широкого применения. Более эффективно управлениетиристорами ст источников переменного на­пряжения (фазовое управление).
Однако способностьтиристоров работать в импульсных режи­мах позволяет использовать для ихуправления наиболее экономич­ные импульсные источники тока. В этом случаетиристоры включают кратковременными сигналами определенной амплитуды и длительности,причем амплитуда входного сигнала может значительно пре­вышать постоянныйвходной ток, а. входная мощность определяется из условия

где Q— скважность импульсов.
Продолжительность импульсаограничивается промежутком вре­мени, необходимым для того, чтобы к концуимпульса управления анодный ток по величине превзошел величину тока Iвыклтиристо­ра. Сдругой стороны, чем меньше длительность запускающего импульса, тем меньшепотери на управляющем   электроде    при­бора  и тем  меньше требуется
мощность    от   источника   для управления.    Поскольку   рост анодного тока определяется параметрами силовой схемы, а такжережимом нагрузки, дли­тельность запускающего им­пульса выбирается такой, что­быво всех случаях обеспе­чить надежное отпирание тири­стора.
Для надежного переключе­ниятиристора в общем случае необходим   запускающий    им­пульсдлительностью


Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 2Зависимость максимального значения импульсного токауправления (или напряжения) от длительности импульса управления
Однако величина τуможет быть значительно снижена за увеличения амплитуды запускающего импульса.Как видно из рис. 2, при увеличении максимального значения амплитуды запускаю­щегоимпульса длительность τу уменьшается и, для тиристоров типаКУ201, Д238, Д235 может быть выбрана в пределах от 1,5 до 3,0 мксек.
Выбор того или иногоспособа управления тиристорами зависит от требований, предъявляемых кконкретной схеме, и назначения данного устройства.
Схемы управления тиристорами
Управлениетиристорами наи­более эффективно при использовании источников переменного и импульсного  напряжения.  Ниже  будет расмотрен ряд схем, которые можно использовать для управлениятриодными 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 подачисигнала управления и в течение интервала вре­мени (t1
Когда на управляющийэлектрод тиристора сигналы управления не поступают (интервал 0
В схеме на рис. 3,в симметричный тиристор прово­дит втечение положительного и отрицательного полу­периодов. Если нагрузка ZHносит чисто активный характер, то при включении тиристора СТ форма кривой тока повторяет формукривой приложенного напряжения. В этом случае угол закрытия β всегда равенπ.
В  случае индуктивной  нагрузки необходимо  приме­нять специальныемеры по уменьшению допустимой ско­рости нарастания напряжения du/dt. Как видно из гра­фика на рис. 3, г, при  прохождении тока  через нуле­вое значение питающее напряжение вэтот момент имеет значительную величину   противоположной    полярности. Призапирании тиристора СТ принулевом токе его на­пряжение целиком прикладывается к тиристору с высо­койскоростью, что может привести к выходу прибора из строя или включению егобез  подачи входного сиг­нала. Дляуменьшения скорости нарастания напряжения силовые электроды тиристора шунтируютRС-цепью.
Управление симме­тричнымитиристорами можно производить и непосредственно от се­ти переменного тока (рис.4).

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 4
Когда всхеме  (рис. 4) контакт К реле Р разомкнут,    к  управляю­щему электроду тиристорaСТ сигнал не поступа­ет и он заперт.При   за­мыкании  контакта К  на вход тиристора СТ через ограничительный резистор Ryпоступает сигнал и пе­реключает прибор в про­водящее состояние.   Бу­дучи  включенным, тири­стор СТ шунтируетцепь контакта   К, ограничивая ток через него.
Вотличие 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 иприбор 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, поэтомуработоспособность схемы не зависит от характера нагрузки. Резистор Rпредназначен для ограничения величины тока управления. Призамыкании ключа К отпирается один изтиристоров ТТ1 или ТТ2, к аноду которого в этот моментприложено положительное напряжение. Запирание тиристоров производится припрохождении тока через нулевое значение.

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 6
В схемена рис. 6, а в качестве ключа применен транзистор Т. В исходном состоянии всенапряжение сети приложено к первичной обмотке трансформатора Тр2 ина управляющем электроде тиристора СТ сигнал отсутствует.   При   подаче   на входные клеммытранзистора Т входного сигнала  он  открывается   и    закорачивает вторичную   обмотку   трансформатора Тр2. Все напряжение сети прикладывается   к трансформатору Tp1 и черездиоды Д1 и Д2 поступает на вход тиристора СТ.  Тиристор СТ отпирается, и через  нагрузку Rн начинает протекатьток: напряжение    на    трансформаторе Tp1 уменьшается,что приводит к исчезновению сигнала управления. Процесс отпирания тиристора СТповторяется каждый полупериод питающего напряжения, обеспечивая на его входесигнал управления положительной полярности.
Всхеме, приведенной на рис. 6, б, для коммутации управляющего сигнала применен магнитоуправляемыйконтакт МУК.

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 7
На рис. 7 изображена    двухполупериодная схема с управлением пофазе, которая предназначена для питания нагрузки переменным напряжением. В этойсхеме применены    основной —тиристор  СТ    и   вспомогательный— диодный тиристор СД. С помощью тиристора СДосуществляется управление тиристором  СТимпульсами различной полярности.  Крометого, тиристор СД позволяет уменьшить мощность рассеивания на управляющемэлектроде СТ в промежутках между импульсами. Полярность заряда  конденсатора С1 меняется  каждыйполупериод. Обладая двухсторонней проводимостью, тиристор СД позволяетконденсатору С1 поочередно разряжаться. При положительной полуволнепитающего напряжения на управляющий электрод тиристора СТ поступаетположительный импульс и прибор переключается в первом квадранте вольтампернойхарактерней (UС>0).
При изменении полярностиприложенного напряжения переключение тиристора СТ происходит третьем квадранте его вольтамперной характеристики(UС
Для управления тиристорамиприменяются генераторы запускающих импульсов, схемы которых можно выполнить натранзисторах, двухбазовых и туннельных диодах, магнитных элементах, а также намаломощных тиристорах. Выбор ключевого элемента для генератора запускающих  импульсов зависит от назначения схемы, атакже от требований, предъявляемых к параметрам входного сигнала.

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 8
На рис. 8, а приведена схемарелаксационного гене­ратора, выполненная на двухбазовом диоде (однопереходномтранзисторе).
Двухразовый диод имеет тривывода: эмиттер (Э), базу 1(Б1), базу 2(Б2).Участок между базами Б1 и Б2имеет характер линейного омическогосопротивления. При напряжении на эмиттере UЭ, меньшем некотороймаксимальной величины Uэ.макс, переход эмиттер — база (Б1) смещен в обратномнаправлении и двухбазовый диод закрыт. Для включения двухбазового диоданеобходимо выполнение следующих   условий: Uэ=Uэ.макс и Iэ>Iэ.макс.
Рассмотрим работу схемы. Отисточника Е конденсатор С заряжается через резистор R1. Как только на­пряжение на эмиттере достигнет значения Uэ.макс, диод ДБД открывается, а конденсатор С разряжается через сопротивлениенагрузки RH. Когда напряжение эмиттере достигнет величины   Uэ=Uэ.выкл,  ДВД перестает проводить. В дальнейшем    цикл   включения повторяется.
Резистор R2защищаетдвухбазовый диод от перенапряжений и стабилизирует его работу при колебаниях температурыокружающей среды.
РезисторR1выбирается изусловия обеспечения необходимого тока для отпирания двухбазового диода, т.е.чтобы Iэ>Iэ.макс.
Сопротивление нагрузки RHдолжно быть достаточно малым, чтобы напряжение Uн, обусловленноемеждуба­зовым током при закрытом диоде, не превышало напря­жения, необходимогодля отпирания тиристора, т. е. Uн≤Uу.мин. С учетом этого условия сопротивление рези­стора Rhследует выбирать в соответствии с неравенст­вом

где Rб1б2— междубазовоесопротивление двухбазового диода.
На рис. 8, б приведена схемагенератора импульсов.
В течение положительногополупериода 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: являетсянапряжением питания и служит сигналом управления. Транзисторы Т1 и T2представляютсобой спусковую схему, которая включается при подаче напряжения с конденсатора С1.
Когдаоткрываются транзисторы, конденсатор С1paзряжается через них и черезсопротивление нагрузки Rни на выходе схемы формируется импульс. Передний фронтэтого импульса определяется постоянной времени разряда конденсатора. Так каквремя разряда C1много меньше  полупериода    питающего напряжения,  после окончания работы спусковой схемы наконденсатор подается напряжение того же  полупериода и он   вновь заряжается. В случае если напряжениена конденсатор C1к концу повторного заряда будетбольше или равно порогу срабатывания спусковой схемы, на нагрузке появится очередной импульс. Вдальнейшем цикл включения повторяется.
Количество импульсов в пачке можнорегулировать изменяя постоянную времени заряда. Увеличить импульсов в пачкеможно также, изменив напряжениеисточника  питанияили  величину  емкости  конденсатоpaC1.
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   резонанснозаряжаются до   напряжения,  приблизительно равного удвоенномузначению  напряжения источника питания. В момент подачи на управляющий электрод запускающего  импульса тиристор ТТ отпирается, а линия ЛФразряжается через нагрузку, формируя на ней близкий к прямоугольной формеимпульс с параметрами, определяемыми характеристиками линии ЛФ. Для управлениятиристорами часто применяют импульсные трансформаторы (рис. 9),  которые хорошо обеспечивают развязку входнойцепи приборов от генератора запускающих импульсов. С целью улучшения формывходного импульса в цепь управляющего электрода включают вспомогательныеэлементы.
Для отпирания тиристора спомощью импульсного трансформатора необходимо, чтобы напряжение Uу удовлетворялоусловию Uу>RогрIспр, а длительность входного импульса τу былабы большей времени tвкл,т.е. τу>tвкл.

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 10

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 11

Рис.   SEQ Рис._ * ARABIC 12
Запирание тиристоров
Для переключения тиристоровиз проводящего состояния в запертое необходимо снизить анодный ток до величины,меньшей Iвыкл  , или подать на анод прибора импульсотрицательной полярности по отношению к катоду. Такие способы запиранияхарактерны   для диодных,   триодных  и симметричныхтиристоров. Обычно в схему вводятся специальные эле­менты,   обеспечивающие   запирание  тиристоров с по­мощью вспомогательных   цепей прерывания   тока, чтохарактерно при питании схем от источника постоянного тока.
При использовании источникапеременного тока за­пирание тиристоров осуществляется в момент перехода токачерез нулевое значение.
Существуют многочисленныесхемы, которые приме­няются для запирания тиристоров. Некоторые из них будутрассмотрены далее.
Основным способом, применяемымдля 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 R1донапряжения источника с поляр­ностью, указанной на рисунке. Когда отпираетсятири­стор ТТ1 напряжениеконденсатора прикладывается к ТТ2, смещая его в обратномнаправлении. Постоянная времени RCвыбираетсядостаточно большой, чтобы обратное напряжение сохранилось в течение времени, не­обходимого длязапирания тиристора.

Рис.   SEQРис._ * ARABIC 13
В схеме на рис. 13, бзапирание ТТ осуществляется засчет подключения параллельнотиристору LC-контура.Когда тиристор заперт, конденсатор С заряжен до напряжения источника литания. В момент отпиранияТТ конденсатор С перезаряжаетсячерез индуктивность Lи через полпериода собственной частоты контура

полярность его меняется наобратную. В следующий по­лупериодток перезаряда конденсатора протекает через ТТ навстречу току нагрузкии, когда суммарный ток станет равным нулю, тиристор ТТ запрется.
В схеме, приведенной нарис. 13, в, запирание тири­стора осуществляется импульсом,возникающим во вто­ричной обмотке трансформатора, включенного в катоднуюцепь прибора.
В схемена рис. 13, гзапирание тиристора осущест­вляется с помощью импульса токаот внешнего источ­ника. Впроводящем состоянии ток протекает через тири­стор ТТ и нагрузку Rн. Для запирания тиристора на базу транзистора Т подаетсязапускающий импульс. После открывания Тисточник Е2 оказывается прило­женнымк тиристору ТТ и запирает его. В этой схемевремя включенного состояния транзистора должно быть равновремени tвыклтиристора ТТ.
Списокиспользуемой литературы
1)      И.И. Дзюбин. Тиристоры вэлектронных 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 вимпульсных схемах. М., «Советское радио», 1972.