Анализ режимов коммутации тиристорного моста переменного тока в среде PSpice
Современное развитие силовых полупроводниковых приборов позволяет создавать специальные устройства для решения актуальныхзадач электроэнергетики.
Увеличение пропускнойспособности линий электропередачи переменноготока, управление потоками активной мощности,компенсация реактивной мощности, повышениенадежности и живучести энергосистем — это далеконе весь спектр вопросов, которые решаются с помощью гибких линий электропередачи переменноготока (FACTS). Внедрение мощной высоковольтнойпреобразовательной техники является необходимым
условием реализации технологии FACTS.
Фазоповоротное устройство (ФПУ) — одна из разновидностей силовых полупроводниковых преобразователей для гибких линий электропередачи переменного тока. В его функции входит управлениепотоками мощности в электрических сетях путемсоздания дополнительного фазового сдвига между напряжениями на концах линии электропередачи.
ФПУсостоит из шунтового (возбуждающего) трансформатора, сериесного (вольтодобавочного) трансформатора и силового полупроводникового преобразователя.
Принцип действия заключается в том, что преобразователь, представляющий собой последовательное соединение нескольких тиристорных мостов переменноготока, определенным способом подключает вторичные
обмотки шунтового трансформатора к первичной обмотке сериесного трансформатора [1].
В статическом режиме работы ФПУ, т. е. при неизменном установленном фазовом угле, тиристорыв мостах работают в качестве переключателей переменного тока, протекающего в сериесном трансформаторе. Включение и выключение тиристоров в работающем двунаправленном тиристорном ключепроисходит один раз на половине периода сети при
переходе тока через ноль, вследствие чего практически исключены динамические потери.
Для смены угла регулирования ФПУ необходимоизменить состояния тиристорных мостов. Для этого нужно выключить (снять импульсы управления)двунаправленный тиристорный ключ в одном плечемоста и включить такой же ключ в другом плече.Коммутировать тиристорные ключи можно тольков определенные моменты времени, обусловленные
требуемым соотношением токов и напряжений.
Для создания алгоритмов надежного переключения было проведено исследование процессовкоммутации в мостах переменного тока с цельюопределения влияния последних на длительностьдопустимых временных интервалов переключениятиристоров. Для этого в среде OrCAD Capture была
составлена имитационная Spice-модель работы моста, представленная на рис. 1.
В данной схеме вторичная обмотка шунтового трансформатора представлена источником ЭДС фазы B, индуктивностью рассеивания и активным сопротивлением обмотки;ток в первичной обмотке сериесного трансформатора формируется от работы источникаЭДС фазы A на активную нагрузку. В качествемодели тиристора использовалась модифицированная HU-KI модель [2], составленная для
тиристора Т193-2000. Каждый двунаправленный тиристорный ключ защищен демпфирующей R-C-цепью.
Параметры моделируемой схемы:
- амплитуда источника ЭДС фазы B Umax = 3000 B;
- амплитуда тока в первичной обмотке сериесного трансформатора Imax = 2200 A;
- индуктивность рассеивания шунтовоготрансформатора Ls = 0,165 мГн;
- активное сопротивление обмотки трансформатора Rs = 23 мОм;
- параметры цепи снаббера R = 20 Ом,С = 0,1 мкФ.
Исследование процесса
коммутации на интервале t0–t1
Вначале моделировалась ситуация, когда в мосте включены ключи 1 и 2, а после смены режима должны работать ключи 2 и 3 (рис. 2а).
Для этого с тиристоров VS11 и VS12 предварительно снимаются импульсы управления, а на тиристоры VS31 и VS32 импульсы управления должны начать поступать.
Данное переключение осуществимо, когда ток, протекающий через мост, и напряжение,
подводимое к мосту, имеют противоположные знаки. На рис. 2б соответствующие этому условию временные интервалы t0–t1 и t2–t3
отмечены цветом.
Для последующего рассмотрения выберем
интервал t0–t1, в силу симметрии процесс переключения на интервале t2–t3 будет аналогичным. Разобьем этот интервал на три участкаи промоделируем процесс переключения в начале, посередине и в конце.
На любом из этихвременных отрезков ток в индуктивности рассеивания до момента коммутации отсутствовал, а после коммутации должен стать равнымтоку фазы А с обратным знаком.
До переключения моста ток проводил тиристор VS12,а после переключения должен включиться тиристор VS32; тиристор VS22 будет оставаться
все время в проводящем состоянии.
Временные диаграммы процесса переключения в начале участка t0–t1 представленына рис. 3. Коммутация происходит в момент
tк1 = 20,2 мс. В процессе переключения можно
выделить следующие этапы:
- На интервале tк1–tк2 происходит коммутациятока. Ток в тиристоре VS12 спадает, а в тиристоре VS32 нарастает. К индуктивности рассеивания прикладывается напряжение фазыB. Длительность этого интервала составляет128 мкс.
- В момент времени tк2 включается тиристорVS11, и образуется контур короткого замыкания Ub-VS32-VS11-Rs—Ls-Ub. В результатетиристоры VS11 и VS32 попадают под ударный ток, что может привести к выходу их изстроя.
Наблюдаемый процесс объясняется следующим. Перед началом интервала t0–t1 проводилтиристор VS11, и когда вступает в работу реверсивный ему тиристор VS12, то к VS11 прикладывается запирающее напряжение около1,5 В.
Если после окончания последующейкоммутации тока из тиристора VS12 в VS32тиристор VS11 не успел восстановить своиуправляющие свойства, он попадает под положительное напряжение и может включиться.
Для осуществления надежной коммутацииследует организовать задержку на время восстановления управляющих свойств тиристора
VS11 и только потом выполнять переключение. Для тиристора Т193-2000 паспортное время выключения составляет tq = 500 мкс.
Процесс переключения в середине участка
t0–t1 представлен на рис. 4. Коммутация происходит в момент tк1 = 23,3 мс. На полученных
временных диаграммах можно выделить следующие этапы переключения:
- На интервале tк1–tк2 происходит коммутация тока. Ток в тиристоре VS12 спадает, а втиристоре VS32 нарастает. К индуктивностирассеивания прикладывается напряжениефазы B. Длительность этого интервала составляет 127 мкс;
- После момента времени tк2 вначале наблюдается некоторый колебательный затухающий процесс, связанный с перезарядом конденсаторов демпферных цепочек, стоящихпараллельно тиристорам (рис. 1). Периодколебаний составляет T = 2π√Ls2C и равенв данном случае 62 мкс. После окончанияколебательного процесса мост начинаетнормально работать в требуемом режиме.
Процесс переключения в конце участка
t0–t1 представлен на рис. 5. Коммутация происходит в момент tк1 = 25,8 мс. В процессе переключения можно выделить следующие
временные интервалы:
- На интервале tк1–tк2 происходит коммутация тока. Ток в тиристоре VS12 спадает, а вVS32 нарастает. К индуктивности рассеивания прикладывается напряжение фазы B.Длительность этого интервала составляет645 мкс.
- На интервале tк2–tк3 тиристор VS32 перехватывает полностью ток фазы А. Ток в тиристоре VS12 отсутствует. Напряжение к VS12прикладывается в этот момент отрицательное, что способствует восстановлению егоуправляющих свойств. Длительность этогоинтервала — 275 мкс.
- В момент времени tк3 напряжение фазыB меняет знак и к тиристору VS12 прикладывается положительное напряжение.Поскольку длительность интервала tк2–tк3 была недостаточна для восстановленияуправления тиристором VS12, он начинаетвключаться, а тиристор VS32 выключаться.Т. е. на интервале tк3–tк4 происходит процесс обратной (реверсивной) коммутации.
- В момент времени tк4 ток в тиристореVS32 спадет до нуля, а в тиристоре VS12станет равным Ia. К тиристору VS31 начнет прикладываться прямое напряжение,и, так как на него поступил отпирающийимпульс, он включится. В результате образуется контур короткого замыкания:Ub-Ls-Rs-VS12-VS31-Ub. Амплитуда ударного тока будет ограничена в основномсопротивлением индуктивности рассеивания: Umax/(ω/2×Ls) = 115,8 кА.
Проведенный анализ коммутационных процессов в различные моменты отрезка
времени t0–t1 показывает, что в конце интервала для надежной коммутации необходимо
сделать временной отступ, равный сумме времени коммутации и паспортного времени
восстановления управляющих свойств тиристора. В начале интервала t0–t1 следует сделать отступ только на время восстановления
управляющих свойств тиристора. На рис. 6
интервал надежного переключения тиристоров на участке t0–t1 отмечен цветом.
Введенные временные ограничения определяются следующим образом:
где tq — паспортное время выключения тиристора, tк — время коммутации тока в тиристоре.
Расчет времени коммутации
Длительность времени коммутации tкопределяется начальными значениями токаи напряжения в момент коммутации и параметрами схемы. Будем считать, что на этапепереключения значение коммутируемого токаостается постоянным. Также для упрощениярасчета примем значение активного сопротивления обмотки равным нулю, поскольку
оно значительно меньше сопротивления индуктивности рассеивания.
Источник: https://power-e.ru/components/analiz-rezhimov-kommutaczii-tiristornogo-mosta-peremennogo-toka-v-srede-pspice/
Тиристорный регулятор напряжения простая схема, принцип работы
Тиристор это один из мощнейших полупроводниковых приборов, именно поэтому он часто используется в мощных преобразователях энергии. Но он обладает своей спецификой управления: его можно открыть импульсом тока, а вот закроется он только когда ток опуститься почти до нуля (если быть точнее, то ниже тока удержания). Из этого тиристор в основном применяются для коммутирования переменного тока.
Фазовое регулирование напряжения
Существует несколько способов регулирования переменного напряжения тиристорами: можно пропускать или запрещать на выход регулятора целые полупериоды (или периоды) переменного напряжения.
А можно включать не в начале полупериода сетевого напряжения, а с некоторой задержкой — ‘a’. В течении этого времени напряжение на выходе регулятора будет равно нулю, а мощность не будет передаваться на выход.
Вторую часть полупериода тиристор будет проводить ток и на выходе регулятора появиться входное напряжение.
Время задержки ещё часто называют углом открывания тиристора, так вот при нулевом угле практически всё напряжение со входа будет попадать на выход, только падение на открытом тиристоре будет теряться. При увеличении угла тиристорный регулятор напряжения будет снижать выходное напряжение.
Регулировочная характеристика тиристорного преобразователя при работе на активную нагрузку приведена на следующем рисунке. При угле равном 90 электрических градусов на выходе будет половина входного напряжения, а при угле 180 эл. градусов на выходе будет ноль.
На основе принципов фазового регулирования напряжения можно построить схемы регулирования, стабилизации, а также плавного пуска. Для плавного пуска напряжение нужно повышать постепенно от нуля до максимального значения. Таким образом угол открывания тиристора должен изменяться от максимального значения до нуля.
Схема тиристорного регулятора напряжения
Таблица номиналов элементов
- C1 – 0,33мкФ напряжение не ниже 16В;
- R1, R2 – 10 кОм 2Вт;
- R3 – 100 Ом;
- R4 – переменный резистор 33 кОм;
- R5 – 3,3 кОм;
- R6 – 4,3 кОм;
- R7 – 4,7 кОм;
- VD1 .. VD4 – Д246А;
- VD5 – Д814Д;
- VS1 – КУ202Н;
- VT1 – КТ361B;
- VT2 – КТ315B.
Схема построена на отечественной элементной базе, собрать её можно из тех деталей, которые провалялись у радиолюбителей 20-30 лет. Если тиристор VS1 и диоды VD1-VD4 установить на соответствующие охладители, то тиристорный регулятор напряжения будет способен отдавать в нагрузку 10А, то есть при напряжении 220 В получаем возможность регулировать напряжение на нагрузке в 2,2 кВт.
В устройстве всего два силовых компонента диодный мост и тиристор. Они рассчитаны на напряжение 400В и ток 10А. Диодный мост превращает переменное напряжение в однополярное пульсирующее, а фазовое регулирование полупериодов осуществляет тиристор.
Параметрический стабилизатор из резисторов R1, R2 и стабилитрона VD5 ограничивает напряжение, которое подается на систему управления на уровне 15 В. Последовательное включение резисторов нужно для увеличения пробивного напряжения и увеличения рассеиваемой мощности.
В самом начале полупериода переменного напряжения С1 разряжен и в точке соединения R6 и R7 тоже нулевое напряжение.
Постепенно напряжения в этих двух точках начинают расти и чем меньше сопротивление резистора R4, тем быстрее напряжение на эмиттере VT1 перегонит напряжение на его базе и откроет транзистор.
Транзисторы VT1, VT2 составляют маломощный тиристор.
При появлении напряжения на база-эмиттерном переходе VT1 больше порогового, транзистор открывается и открывает VT2. А VT2 отпирает тиристор.
Представленная схема достаточно проста, её можно перевести на современною элементную базу. Также можно при минимальных переделках снизить мощность или напряжение работы.
Источник: http://hardelectronics.ru/tiristornyj-regulyator-napryazheniya.html
Включение переменным током. Фазовое управление
Управление тиристорами в цепях переменного тока имеет ряд особенностей. Основное условие, которое необходимо выполнять при любом способе управления приборами, состоит в том, что отпирающие сигналы должны подаваться на управляющий электрод только в те моменты, когда напряжение на аноде положительное относительно катода, т. е.
управляющие сигналы должны быть синхронизированы с частотой сети переменного тока. Кроме того, напряжение на управляющем электроде никогда не должно становиться отрицательным по отношению к катоду, если такой режим не разрешен для выбранного типа прибора.
В устройствах, где есть вероятность возникновения отрицательного напряжения на управляющем электроде тринистора, для ограничения этого напряжения следует использовать последовательно или параллельно включенные диоды.
Рис 1. Отпирание тринисторов в цепях переменного тока и способы фазового упр-ния:
а — схема с регулированием угла задержки до 90град; б — графики, иллюстрирующие принцип регулирования; в — схема с фазодвигающей RC-цепью.
Упр-ние тринистором с помощью переменного резистора
На рис. 1,а показан простой способ получения управляющего сигнала, при котором используется напряжение источника анодного питания. Управляющий электрод тринистора через постоянный резистор R1 и переменный R2 подсоединен к аноду, и таким образом обеспечивается нужная полярность напряжений на аноде и на управляющем электроде относительно катода.
Действительно, когда на аноде действует положительная полуволна напряжения источника питания, то потенциал управляющего электрода относительно катода также положителен.
При закороченном резисторе R2 тринистор отпирается в течение каждого положительного полупериода напряжения на аноде в момент, когда мгновенное значение анодного напряжения Uпр достигает значения, при котором будет выполняться условие Uпр/R1>=Iу.от.
Если сопротивление резистора R1 сравнительно невелико, то прибор включается в самом начале положительного полупериода анодного напряжения и отается открытым до конца этого полупериода. При открытом приборе напряжение на его аноде падает до значения Uос, напряжение источника питания оказывается приложенным к нагрузке, управляющий ток резко уменьшается и становится равным Iу = Uос/R1 (рис 1, б).
Диод VD1 защищает цепь управляющего электрода тринистора от обратного напряжения при отрицательных полупериодах напряжения на аноде. Максимально допустимое обратное напряжение этого диода должно превышать амплитудное значение напряжения источника питания Um.
Если во время положительного полупериода напряжения на аноде в интервале 0180град изменять момент включения тринистора, то ток через прибор и нагрузку будет протекать только в течение какой-то определенной части полупериода (рис 1, б).
Так, при небольшой задержке прибор может быть открыт в начале положительного полупериода напряжения, при больших задержках — в любой точке полупериода и, наконец, — в самом его конце. Тем самым можно регулировать средний за период ток, проходящий в нагрузке, от максимального значения почти до нуля.
Такой способ управления получил название фазового регулирования (или фазового управления), поскольку при этом изменяется сдвиг фазы между началом протекания прямого тока (рис 1, б). Обычно фазовый сдвиг ф может регулироваться примерно от 5 до 170град.
Простейшая схема устройства, позволяющего производить фазовое управление тринистором, приведена на рис 1, а. Здесь изменение угла отпирания осуществляется переменным резистором R2. Сопротивление резистора R1 должно обеспечивать включение тринистора в самом начале полупериода (резистор R2 закорочен) и может быть рассчитано по формуле
где Um — амплитуда напряжения источника питания.
Если резистор R1 рассчитан по формуле, то при R2=0 тринистор отпирается с углом задержки ф=5град. При включении резистора R2 и последующем увеличении его сопротивления тринистор будет открываться при больших значениях анодного напряжения, т. е.
управление большими углами задержки ф, пока, наконец, при некотором значении сопротивления R2 прибор не откроется в тот момент, когда анодное напряжение станет равным амплитудному значению напряжения источника. Управляющий ток в этот момент Iу = Um/(R1 + R2) >= Iу.от и угол задержки ф станет равным 90 град. Очевидно, что большего угла задержки в цепи, показанной на рис 1, а, получить невозможно.
Поэтому такое устройство позволяет изменять угол задержки примерно от 5 до 90 град и обеспечивает возможность регулировки среднего тока в нагрузке в пределах 10050% максимального значения управления.
Упр-ние тринистором с помощью фазосдвигающей RC-цепочки
Более широкие пределы регулирования можно получать, если на управляющий электрод подавать напряжение, сдвинутое по фазе относительно анодного напряжения. Пример простой схемы с фазодвигающей RC-цепью показан на рис 1, в. Напряжение на управляющий электрод тринистора VS1 подается с конденсатора C1 через диод VD1.
При отрицательном полупериоде анодного напряжения конденсатор С1 через диод VD2, резистор R1 и сопротивление нагрузки заряжается до напряжения Um (полярность этого напряжения показана на схеме в скобках).
Во время положительного полупериода конденсатор С1 через резисторы R1, R2 и сопротивление нагрузки перезаряжается от напряжения -Um до некоторого положительного напряжения Uc1 (полярность которого на рис 1, в показана без скобок), достаточного для открывания тринистора. Время перезаряда конденсатора определяется постоянной времени (R1+R2)C1.
Изменяя постоянную времени (с помощью переменного резистора R2), можно в широких пределах регулировать момент включения тринистора относительно начала положительного полупериода анодного напряжения, т. е. менять угол задержки ф. Пределы изменения угла задержки могут быть примерно 5170град, что позволяет регулировать средний ток в нагрузке от максимального значения почти до нуля.
В рассмотренных схемах используется так называемый амплитудно-фазовый способ управления. При таком способе на управляющий электрод тринистора поступает напряжение, которое относительно медленно достигает уровня, необходимого для включения прибора.
Амплитудно-фазовый способ управления характеризуется невысокой стабильностью момента включения тринистора (угла отпирания), так как этот момент зависит от минимального значения отпирающего тока Iу.
от min, который, в свою очередь, заметно изменяется при колебаниях температуры и смене тринистора.
Значительно лучшую стабильность угла отпирания имеет импульсно-фазовый способ управления, при котором включение тринистора осуществляется импульсами, задержанными относительно начала положительного полупериода напряжения на аноде. Для формирования управляющих импульсов используется комбинация из фазосдвигающей RC-цепи и ключевого прибора (динистора, стабилитрона и др.).
ТЕГИ: Моя ванная комната небольшая, 3 кв. метра, но всё-таки решил сделать электрический тёплый пол. Из экономических соображений, регулятор купил самый дешёвый, без индикации температуры. На панели у него только крутилка по шкале. Поэтому в блок управления моего таймера ввёл ещё и режим измерения температуры, благо контроллер позволяет. Теперь температуру в ванной на уровне примерно 1,2 метр от пола мерит мой прибор.
Микротумблер сбоку, чтобы полностью обесточить прибор, например, если вам надо уехать на месяц. При повседневной жизни «работа-дом-дача» обесточивать прибор нет смысла. Можно посмотреть температуру в любое время, в том числе и когда на индикаторах идёт отсчёт. У меня в ванной постоянно стоит режим индикации температуры. А если, например, покурю, то могу нажать кнопку «Смена режима», включив вентилятор на ранее установленное время, и уйти.
Таймер сам отключит вентилятор и перейдёт на паузу. На мой взгляд, таймер получился максимально функциональным. Пользователь может сменить в любое время нужный режим нажатием всего одной кнопки. Надеюсь, кому-то пригодится такое решение. Необходимое условие — прокладка проводки от вентилятора до таймера и наличие напряжения 220 В в месте установки таймера.
В процессе переключения динистора в открытое состояние незначительное увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так как составляющие транзисторы переходят в режим насыщения (рис. 1,6, 3). Сопротивление динистора в пределах участка 2 становится отрицательным. Причину этого можно пояснить следующим образом.
Произведение в процессе переключения не может становиться больше единицы, поскольку ток через динистор не меняет своего направления. Таким образом, возрастание суммы a1+a2 должно сопровождаться снижением значения коэффициента умножения, что возможно лишь при уменьшении напряжения на коллекторном переходе. T. e. на аноде динистора. Участок 3 вольтамперной характеристики соответствует открытому состоянию прибора.
В пределах этого участка все три р-п перехода полупроводниковой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напряжение, приложенное к прибору, может создать большой ток Ioc в открытом со- стоянии, который при данном напряжении источника питания практически определяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе-напряжение в открытом состоянии Uoc, как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока.
Что касается значения наибольшего постоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме, то, как обычно в полупроводниковых структурах, он определяется площадью! p-n перехода и условиями охлаждения прибора. Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток пр будет больше некоторого минимального значения-удерживающего тока (точка б на характеристике). При снижении тока до значения Iдр
Источник: http://geekmatic.in.ua/vklyuchenie_tiristorov_peremennyim_tokom
