Управляемый выпрямитель на тиристорах сводится к управлению моментом включения прибора. Наиболее распространенный способ управления тиристорами – импульсно-фазовый. При таком способе управления на управляющий электрод тиристора периодически подаются импульсы напряжения Uy, открывающие тиристор. Они могут сдвигаться во времени по отношению к моменту появления положительной полуволны напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр.1 (рис.74) и тем самым влиять на момент включения тиристора. На рис.3 показана положительная полуволна этого напряжения- кривая U(t) и управляющий импульс напряжения Uy. Угол α называется углом управления. Начиная с момента времени t=α и до конца положительной полуволны напряжения тиристор находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивление включенного тиристора и, следовательно, напряжение на аноде (коллекторе) практически равны нулю. На рис.75 пунктиром (- - -) показана кривая напряжения на коллекторе тиристора в течение положительной полуволны напряжения U, а напряжение на нагрузке Rн обозначено штрих-пунктирной линией (¾ × ¾).
Рис. 74 Схема управляемого выпрямителя Рис. 75 График напряжений на
на тиристорах нагрузке, коллекторе и
управляющем электроде
При α=0 тиристор открыт в течение положительной полуволны напряжения, его сопротивление мало. При α=180° тиристор закрыт, его сопротивление велико.
На рис.76а показано напряжение на нагрузке Uн двухполупериодного выпрямителя при α=0, на рис.76б – при α=π/2.
а) б)
Рис.76 Напряжение на нагрузке при α=0 (а) и α=π/2 (б)
К управляющим импульсам предъявляются следующие требования:
1) амплитуда и длительность управляющих импульсов тока Iymax должны быть достаточными для надежного открывания тиристоров, но амплитуда тока не должна превышать допустимого значения Iyдоп;
2) крутизна управляющих импульсов напряжения должна быть высокой, чтобы открывались тиристоры практически мгновенно.
Исходя из этих требований проектируется устройство (блок) импульсно-фазового управления. На рис.77 изображена схема управляемого двухполупериодного выпрямителя (с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) с импульсно-фазовым управлением.
а) б)
Рис. 77 Электрическая принципиальная схема управляемого выпрямителя (а), круговая векторная диаграмма (б)
В цепь управления выпрямителя напряжение подается от мостового фазовращателя, состоящего из трансформатора с выводом средней точки вторичной обмотки, конденсатора С и переменного резистора R. при изменении величины сопротивления R, как видно из круговой векторной диаграммы (рис.77б), угол сдвига фазы выходного напряжения моста Udc по отношению к входному напряжению Uab может изменяться от 0 до 180°. При этом величина напряжения Udc остается неизменной.
Напряжение Udc поступает на входы транзисторов VT1 и VT2 в виде напряжения Uвх1 и Uвх2, открывая один транзистор и закрывая другой. выходные напряжения, снимаемые с коллекторов транзисторов, Uk1 и Uk2 (рис.78д,е)содержат переменные составляющие Uk12 и Uk22 трапецеидальной формы (рис.78ж,з), так как на входы транзисторов подаются напряжения значительной величины. Затем трапецеидальные напряжения дифференцируются (рис.78 и, к) с помощью цепочек R1C1 и R2C2 и в виде прямоугольных импульсов Yvs3, Yvs4 (рис.78 л, м) поступают на управляющие электроды тиристоров VS3 и VS4; отрицательные импульсы напряжения шунтируются диодами VD3 и VD4.
Таким образом, изменяя сопротивление R, влияют на величину угла α и на время прихода импульсов на управляющие электроды тиристоров.
Рис. 78 Графики напряжений
Характериограф
При выполнении данной лабораторной работы требуется снятие вольт-амперной характеристики тиристора. Для этого используется устройство, с помощью которого на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) получают вольт-амперную характеристику или семейство этих характеристик. Специ-
альное устройство, предназначенное для этой цели, называется характериографом. В данном случае в качестве характериографа применяется осциллограф С1-68 и специальная приставка (рис.79а).
а) б)
Рис.79 Схема подключения тиристора к характериографу (а), ВАХ тиристора (б)
На рис. 79а изображена схема подключения тиристора к характериографу для снятия семейства вольт-амперных характеристик Ia=f(Ua) при Iy1, Iy2,….
Для наблюдения на экране ЭЛТ вольт-амперных характеристик тиристора необходимо, чтобы:
1) горизонтальное смещение луча ЭЛТ было пропорционально анодному напряжению Ua тиристора;
2) вертикальное смещение луча ЭЛТ- величине анодного тока.
С этой целью тиристор включается в схему однополупериодного выпрямления с диодом VD1; анодное напряжение подается на гнездо «X» осциллографа (горизонтальное отклонение) с помощью проводника. Резистором R2 регулируют величины анодного тока и напряжения. Резистор R3 ограничивает величину анодного тока при полностью выведенном резисторе R2. Для получения напряжения, пропорционального анодному току тиристора, в анодную цепь включают резистор R1. Создаваемое на нем напряжение подают с помощью кабеля на гнездо «®) 1 мW 50рF» осциллографа (вход усилителя вертикального отклонения луча). Сопротивления резистора R1 должно быть небольшим, чтобы оно практически не влияло на величину анодного тока тиристора (R1~100 Om).
При зарисовке осциллограмм с экрана осциллографа необходимо следить за тем, чтобы начало координат на экране ЭЛТ и на графике Ia=f(Ua) совпадали.
А. Масштаб по оси тока (ось У) определяют с помощью осциллографа. Для этого сначала подают на вход осциллографа «®) 1 мW 50рF» напряжение, снимаемое с резистора R1, затем устанавливают ручку «Усиление» осциллографа в крайнее левое положение. Манипулируя переключатель «V/cм, mV/cм», устанавливают максимальный размер изображения по вертикали не менее 2 см. Затем с помощью ручек «¯» и ««» осциллографа совмещают изображение сигнала с одним из делений шкалы на экране ЭЛТ и отсчитывают размер изображения по вертикали.
Масштаб напряжения по оси Y mu равен произведению цифровой отметки, на которой стоит переключатель «V/cм, mV/cм», на отметку тумблера «´10, ´1».
Так, амплитуда напряжения на резисторе R1, подаваемого на вход осциллографа, равна произведению масштаба mU на размер ymax[см] изображения по оси у (рис. 79б):
UmR 1 = mU ymax..
Масштаб тока по оси у mI равен:
mI = mU /R 1 [A/см].
Б. Масштаб напряжения по оси X можно определить так: измерить размер xmax (рис. 79б) у одной из полученных вольт-амперных характеристик тиристора. Затем подключить вход «®) 1 мW 50рF» осциллографа к гнездам «®) X» и «^» характериографа; при этом положения переключателей осциллографа следующие:
Переключатель «X, ´1, ´0,2» на отметке «X1»;
Переключатель «Время/см» – на «2ms»;
Переключатель «V/cм, mV/cм» – на «1V/см»;
Тумблер «´10, ´1» - на «10».
Получить осциллограмму напряжения на тиристоре, не изменяя величину тока управления Iy (рис. 80):
Рис. 80 Напряжение на тиристоре
Найти величину Umax в вольтах:
Umax=lmax[см] ∙mU[B/см],
здесь mU=1[B/cм] ∙10=10[B/см]
Это напряжение соответствует абсциссе xmax (рис. 79б), следовательно, масштаб напряжения по оси X равен mUx=Umобр/xmax [B/см].
ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
На испытательной панели лабораторной установки изображена схема (рис.79) для снятия вольт-амперной характеристики тиристора, называемая характериографом. Ручка управления «Рег.Iy» плавно изменяет величину тока управления Iy тиристора.
Осциллограф подключается к характериографу с помощью проводника и кабеля, которые соединяют одноименные гнезда и разъемы «®) 1X» и «®) 1 мW 50рF» испытательной панели и осциллографа.
Кроме того, на панели показана схема управляемого выпрямителя на тиристорах (рис. 81) с блоком импульсно-фазового управления. С помощью переменного резистора R регулируется время поступления импульсов напряжения на управляющие электроды тиристоров. В управляемом выпрямителе установлены тиристоры типа КУ-101Б с параметрами
Iпр.доп=75мА,
Uобр.max=50B, Pkmax=150мВт, Iyпр=15мА.
Рис. 81 Изображение на панели стенда управляемого выпрямителя
Внешний вид стенда изображен на рис. 82.
Рис.82 Передняя панель стенда
ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
1 Получить с помощью характериографа (рис. 79) несколько (2-3) вольт-амперных характеристик тиристора при различных произвольных величинах тока управления:
Ia=f(Ua) при Iy1=0, Iy2, I y3>I y2, ….
Для этого необходимо:
- Включить установку, замкнув ключ «Вкл» (на панели справа);
- Подключить к характериографу осциллограф С1-68:
а) гнезда «®) 1 мW 50Рf» и «^» характериографа соединить кабелем с входом «®) 1 мW 50рF» осциллографа;
б) гнездо «X» характериографа соединить проводом с гнездом “X” осциллографа;
в) переключатель «X, ´1, ´0,2» осциллографа поставить в положение «X» (крайнее левое положение);
г) переключатель «V/см, mV/см» установить на отметке «2 mV/см», а тумблер «´10, ´1» – на «´10»;
д) включить осциллограф с помощью тумблера «Сеть».
- Установить ток управления Iy равным нулю (Iy=0); для этого следует установить ручку потенциометра Rрег в крайнее левое положение; зарисовать полученную кривую Ia=f(Ua);
- Установить небольшой величины ток управления Iy, для чего необходимо повернуть ручку потенциометра Rрег на небольшой угол (по часовой стрелке) и вновь зарисовать кривую Ia=f(Ua) и т.д.
2 В схеме управляемого выпрямителя (рис. 81)
А. Снять осциллограммы выпрямленного напряжения на нагрузке – сопротивления Rн – при различных значениях угла управления α;
Б. Получить опытным и расчетным путем характеристику управления
выпрямителя
Uoα=f(α),
где Uoα – среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке;
α - угол управления.
Для выполнения пункта 2А задания следует:
- Подключить к выпрямителю нагрузку, замкнув ключ в ветви с резистором Rн;
- Подключить осциллограф к нагрузке Rн:
а) кабель на входе «®)1 мW 50рF» осциллографа подключить параллельно резистору Rн;
б) переключатель «X, ´1, ´0,2» осциллографа перевести в положение «´1»;
в) переключатель «Время/см» в положении «2mS/см»;
г) переключатель «V/см, mV/см» в положении «2V/см»;
д) тумблер «´10, ´1» – в «´10».
- Получить на экране осциллограммы напряжения на нагрузке при различных значениях угла α:
α=αmin, α=π/2, α=3/4π;
Регулирование величины угла α производится с помощью потенциометра R в схеме блока импульсно-фазового управления (ИФУ); в левом предельном положении ручки потенциометра R угол α минимален и равен αmin~0,4π, в правом предельном – максимален и равен ~ π.
- Осциллограммы напряжения на нагрузке нарисовать на миллиметровой бумаге, указав масштабы для напряжения mu (положения ручки «V/см, mV/см» и тумблера «´10, ´1») и для времени mt (положения переключателей «X, ´1, ´0,2» и «Время/см»): mu [B/см], mt [C/cм].
Определить амплитуду напряжения на нагрузке Um по осциллограмме при α=αmin.
Для выполнения пункта 2Б задания необходимо измерить постоянную
составляющую напряжения на нагрузке при различных значениях угла α:
α=αmin – левое предельное положение ручки потенциометра R;
α=π/2, α=3/4π, α~π – правое предельное положение R.
Для этого следует:
- Установить по осциллографу заданный угол α, как указано в пункте выполнения задания 2А;
- Подключить вольтметр В3-41 параллельно резистору Rн, отключив осциллограф; вольтметр использовать для измерения постоянной составляющей выпрямленного напряжения на нагрузке Rн:
а) вход вольтметра – гнезда «®)» и «^»;
б) переключатель диапазонов напряжений (верхняя шкала) «30»;
в) включить прибор тумблером «Сеть».
- Измерить постоянную составляющую напряжения на нагрузке при различных значениях угла α; результаты измерений записать в таблице 1;
- Вычислить среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (рис. 81) (без учета потерь в элементах схемы) при указанных значениях угла α, пользуясь формулой
.
Рис. 83
Величину Um взять из опыта 2А по осциллограмме u(t), при α=αmin (рис. 83), результаты вычисления занести в таблицу 1;
- По данным таблицы 1 построить зависимости Uoα =f(α);
- Сравнить опытные и расчетные результаты.
Таблица 19
| amin | p/2 | 3p/4 | ~p | Примечание | |
| Uoα | Опыт | ||||
| Uoα | Расчет |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1 Принцип работы тиристора. Что означает напряжения включения? Покажите семейство вольт-амперных характеристик тиристора.
2 Объясните работу схемы для снятия вольт-амперных характеристик тиристора.
3 Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямления переменного напряжения на тиристорах; объясните ее работу.
4 Какова форма выпрямленного напряжения на нагрузке в схеме двухполупериодного выпрямителя на тиристорах, если угол α=π/3?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
