Управляемые тиристорные выпрямители

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

Новосибирский государственный технический университет 
 
 
 
 

Кафедра общей электротехники 
 
 
 
 
 
 

Реферат  

Управляемые тиристорные выпрямители 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:       Преподаватель:

Факультет: МТ       Стернина С.Л.

Группа: КМ-901

Студент: Карпов Е.В. 
 
 
 
 

Новосибирск 2011

Содержание

        Введение.                

 

1. Определение, виды тиристоров.
2. Принцип действия.

     3.  Параметры тиристоров.

4.  Управляемые  выпрямители:

       - Однофазный управляемый выпрямитель;

       - Однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой;

       - Однофазная мостовая схема управляемого выпрямителя;

       - Трёхфазный управляемый выпрямитель с нулевым выводом;

       - Мостовой трёхфазный управляемый выпрямитель.

   Список литературы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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;

·        повышение надёжности;

·        простотой схемной реализации;

·        удобством в эксплуатации устройств;

·        универсальность;

·        более низкой себестоимостью;

 и др.          

    

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

      В данной работе 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.

 

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. 

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 пробой коллекторного перехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области - избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

     После перехода коллекторного перехода в  открытое состояние ВАХ имеет  вид, соответствующий прямой ветви  диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается  до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

     При уменьшении напряжения источника питания  восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд.

     Напряжение Uвкл при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено  введением не основных носителей  заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именно элемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможность снижения напряжения U при росте тока управления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).

     Если  к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4), то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора  напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших  обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора. 
 

3. Параметры  тиристоров. 

     1. Напряжение включения (Uвкл) –  это такое напряжение, при котором  тиристор переходит в открытое  состояние.

     2. Повторяющееся импульсное обратное  напряжение (Uo6p.max) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл = Uo6p.max.

     3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.

     4. Прямое падение напряжения на  открытом тиристоре (Unp = 0,5÷1В).

     5. Обратный максимальный ток –  это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.

     6. Ток удержания – это анодный  ток, при котором тиристор закрывается.

     7. Время отключения – это время,  в течение которого закрывается  тиристор.

     8. Предельная скорость нарастания анодного тока. Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой.

     9. Предельная скорость нарастания  анодного напряжения. Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи.

     10. Управляющий ток отпирания –  это ток, который необходимо  подать, чтобы тиристор открылся  без «колена».

     11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена». 
 

4. Управляемые  выпрямители. 

    Управляемые выпрямители на тиристорах позволяют:

1) выпрямлять  переменное напряжение;

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

      Регулирование ведется за счет задержки момента включения очередного вентиля Среднее значение выпрямленного напряжения Uda , определяемые заштрихованной площадью, будет меньше Ud0. Чем больше угол задержки a, тем меньше Uda.

           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