 |
Расчет параметров тиристорного регулятора напряжения
|
|
|
|
Расчётно-графическая работа № 9
Содержание
1.Краткие теоретические сведения
Принцип действия тиристора.
Фазоимпульсный способ управления тиристором.
Тиристорный регулятор напряжения.
2. Задание на расчет
3. Пример расчета параметров тиристорного регулятора напряжения
4. Контрольные вопросы
1.Краткие теоретические сведения
Принцип действия тиристора. Тиристор это полупроводниковый прибор с тремя или более 
-переходами, который имеют два устойчивых состояния и применяются как мощный электронный ключ. На рис. 1 показаны два типа тиристора, а именно:
с катодным управлением, рисунки1а и 1б,
с анодным управлением, рисунки 1в и 1г.
Рис.1. Структура p-n переходов и условные обозначения двух типов тиристоров
В отличие от диодов тиристор помимо анода А и катода К имеет еще один электрод УЭ, называемый управляющим. Это придает тиристору свойство не пропускать ток в прямом направлении, пока на управляющий электрод не подан сигнал. Этот сигнал отпирает тиристор, делая его проводящим ток в прямом направлении.
Рис.2. Типовая вольтамперная характеристика (ВАХ) тиристора
На рис.2 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора. Обратная её ветвь аналогична характеристике обычного диода и не зависит от сигнала управления. В прямом направлении существует небольшой ток, который можно увеличить только подачей напряжения большой величины, превышающей пороговое значение Uвкл0. Это пороговое значение уменьшается при подаче на управляющий электрод сигнала в виде тока или напряжения. Таким образом, подачей кратковременных импульсов тока управления можно заставит тиристор проводить ток в прямом направлении, начиная с момента подачи импульса.
|
|
|
Типовые значения параметров маломощного тиристора: прямой ток составляет 1 А, обратное напряжение 200 В. Напряжение, подаваемое на управляющий электрод, составляет примерно1 В при токе 1 мА.
Тиристоры нашли свое применение в силовой электронике и электротехнике, где требуется формирование мощных питающих напряжений, токи в которых измеряются десятками и сотнями ампер, и питающих напряжений специальной формы с регулируемой частотой.
Фазоимпульсный способ управления тиристором.
В цепях переменного тока широко используется свойство тиристора оставаться включенным с момента подачи на управляющий электрод импульса напряжения до момента смены полярности приложенного напряжения. Длительностью включенного состояния можно управлять путем изменения момента подачи управляющего импульса. При этом будет меняться и среднее значение тока, протекающего через тиристор.
На рис.3 показаны временные диаграммы напряжения управления uу и напряжения на нагрузке uн в простейшей схеме фазоимпульсного управления тиристором, рис. 3.
Рис.3. Временные диаграммы и схема простейшего фазоимпульсного управления тиристором, выполненные в программе Electronics Workbench
На рис.3а. показаны временные диаграммы напряжения на нагрузочном сопротивлении 100 Ом (вверху рисунка) и напряжения генератора управляющих импульсов (внизу рисунка).
На верхней диаграмме момент включения тиристора характеризуется углом управления 
Угол управления характеризует также смещение по фазе управляющего импульса
относительно начала положительной полуволны входного напряжения. Поэтому такой способ управления тиристором называют фазоимпульсным.
На нижней диаграмме период повторения управляющих импульсов характеризуется углом 
, что в 2 раза меньше периода повторения фазы источника входного напряжения.
|
|
|
На рис.3б. показана схема простейшего фазоимпульсного управления тиристором.
Слева направо по вертикали показаны:
· Источник синусоидального напряжения 220 В и частотой 50 Гц.
· Генератор управляющих импульсов прямоугольной формы амплитудой 1 В, повторяющихся с частотой 100 и скважностью 50%..Скважностью называют отношение длительности импульса к периоду его повторения. У генератора управляющих импульсов она может меняться от 0 до 100%.
· Нагрузочное сопротивление величиной 100 Ом.
Слева направо вверху рисунка показаны:
· Тиристор, рассчитанный на ток в открытом состоянии 1 А и напряжение включения Uвкл0 =400 В (см. рис.2).
· Двухканальный осциллограф: канал А подключен к нагрузочному сопротивлению, канал В подключен к источнику управляющих импульсов.
Тиристорный регулятор напряжения.
Схема, представленная на рис.3б, упоминается в литературе как управляемый выпрямитель, поскольку в нагрузке протекает регулируемый выпрямленный ток. В тех случаях, когда ток в нагрузке должен быть переменным, применяют схему с двумя тиристорами, включенных встречно - параллельно, рис.4б. Соответствующие этой схеме временные диаграммы напряжения uн на нагрузочном сопротивлении 100 и напряжения генератора управляющих импульсов uу приведены на рис 4а. Меняя с помощью специального регулятора скважность управляющих импульсов можно одновременно менять угол управления 
. При этом будет меняться действующее значение выходного напряжения Uвых. По этой причине подобные схемы называют тиристорными регуляторами напряжения.
Действующее значение выходного напряжения можно определить по известной формуле как корень квадратный от среднего за период квадрата напряжения:
Uвых 
= 
= 
. (1)
В этой формуле значение 
должно выражаться в радианах. Примерный график зависимости Uвых () показан на рис. 5а. Угол правления в свою очередь зависит от скважности управляющих импульсов q:
= (1- q), (2)
причем q должно выражаться в долях, а не в процентах. Примерный график 
показан на рис.5б.
Рис.4. Временные диаграммы и схема тиристорного регулятора напряжения, выполненные в программе, выполненные в программе Electronics Workbench
Рис.5. Графики зависимостей выходного напряжения Uвых от угла управления 
(рис. 5а) и угла управления 
от скважности управляющих импульсов q (рис. 5б).
|
|
|
Характер наблюдаемых на рисунке зависимостей примерно одинаков, поэтому можно говорить о коэффициенте преобразования регулятора
Кпр1= Uвых/ q [ B / % ] (3)
Значение Кпр1 для среднего значения qср= 50% равно 3 B.
Зная коэффициент преобразования Кпр1и скважность управляющих импульсов q, всегда можно определить выходное напряжение Uвых
Uвых = Кпр1× q
Следует заметить, что вместо понятия «скважность управляющих импульсов» в литературе часто используется понятие «управляющий ток». В этом случае коэффициент преобразования регулятора определяют по формуле
Кпр2= Uвых/ Iу [ B / мА ]
Среднее значение Кпр2 равно 27,5 B/мА. Отношение двух коэффициентов преобразования регулятора определяется формулой:
Кпр1= Кпр2 
0,12 [мА / % ]
2. Задание на расчет
1. Рассчитать коэффициенты преобразования тиристорного регулятора напряжения на 220 В, исходя из следующих заданных скважностей периодической последовательности управляющих импульсов q, таблица 1.
Таблица1. Варианты задания исходных данных для расчета коэффициентов преобразования тиристорного регулятора
| Вариант | q1 ,% | q2 ,% | q3 ,% | q4,% |
| 1-ый | ||||
| 2-ой | ||||
| 3-ий | ||||
| 4-ый | ||||
| 5-ый | ||||
| 6-ой | ||||
| 7-ой | ||||
| 8-ой | ||||
| 9-ый | ||||
| 10-ый | ||||
| 11-ый | ||||
| 12-ый | ||||
| 13-ый | ||||
| 14-ый | ||||
| 15-ый |
При расчетах использовать приведенные в теоретической части формулы (1), (2) и (3).
2. Проверить правильность расчетов двумя способами:
· Используя для сравнения ориентировочный график регулировочной характеристики тиристорного регулятора. График будет подробно рассмотрен в нижеследующем примере расчета.
· Собрав схему согласно рис.6 и установив скважности q2 или q3 согласно своему варианту, измерить величину выходного напряжения Uвых. Измеренную величину следует сравнить с величиной, полученной путем расчета.
|
|
|
3. Пример расчета параметров тиристорного регулятора напряжения
Выберем пять значений q, которые вместе охватывают всю шкалу скважностей 0 -1,0, таблица 2.
Таблица 2.Шкала скважностей в виде 5 значений q, заданных в виде долей единицы.
| Вариант | q1 | q2 | q3 | q4 | q5 |
| 0-ой | 0, 25 | 0,50 | 0,75 | 1,0 |
Используя формулу (2), рассчитаем на основе таблицы сначала пять значений , затем по формуле (1) пять значений нормированного выходного напряжения Uвых/Um и, наконец, по формуле (3) найдем пять значений нормированного коэффициента преобразования Кпр1/Um, Результаты расчетов занесем в таблицу 3.
Таблица 3.Три этапа расчета нормированного коэффициента преобразования Кпр1/Um,
| q | 0, 25 | 0,50 | 0,75 | 1,0 | |
 [рад]
|
| 0,75 
| 0,5
| 0,25
| |
| Uвых/Um | 0,21 | 0,5 | 0,67 | 0,71 | |
| Uвых [B] | |||||
| Кпр1=Uвых/q [B/1] |
Третья строка таблицы получена из второй путем умножения цифр на амплитудуUm= 220 
=310 В. Четвертая строка получена из третьей путем деления полученных цифр на соответствующие показатели скважности первой строки.
Последняя цифра в четвертой строке Uвых=220 [B], определенная для q=1, свидетельствует о том, что расчет проделан правильно. Правильность расчета желательно подтвердить ещё и экспериментальным путем. Для этого соберем схему согласно рис.6 и измерим выходное напряжение, задав q, равным 0,5, что соответствует середине шкалы скважностей.
Внимание! Для того, чтобы схема работала правильно, следует открыть диалоговые окна тиристоров и установить величину напряжения для открытия тиристоров в прямом направлении Uвкл0, (в окне forward breakover voltage) равной или большей амплитудного значения приложенного напряжения Um=308 В.
Рис. 6.Экспериментальная схема для проверки правильности расчета параметров тиристорного регулятора.
Из рисунка видно, что показание вольтметра незначительно отличается от рассчитанного значения Uвых =155 В, приведенного в таблице 3.
На основе таблицы 3 можно построить ориентировочно (по 5 точкам) регулировочную характеристику тиристорного регулятора, рис.7. Эту характеристику можно использовать для грубой проверки все расчетов Uвых, основанных на данных, приведенных в таблице 1.
Рис.7. Ориентиры для построения регулировочной характеристики тиристорного регулятора напряжения.
4. Контрольные вопросы
1. Каково устройство и принцип действия тиристора?
2. Как можно изменять величину напряжения открытия тиристора и как при этом изменяется его вольт-амперная характеристика?
3. Как влияет изменение величины скважности q на угол управления тиристорного регулятора?
|
|
|
4.Что входит в состав тиристорного регулятора напряжения?
5.Опишите принцип действия тиристорного регулятора напряжения.
6. Что называют регулировочной характеристикой тиристорного регулятора напряжения?
7. Как можно зная угол управления αу рассчитать значение выходного напряжения тиристорного регулятора?
8. Каким образом можно определить фактический коэффициент преобразования регулятора 
αу/Δ q?
9. Как, зная коэффициенты преобразования Кпр1 тиристорного регулятора, построить его нормируемую регулировочную характеристику Uвых/Um= f (αу)?
|
|
|
