Главная » Современный стиль » Применение тиристоров в управляемых выпрямителях. Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель

Применение тиристоров в управляемых выпрямителях. Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель

При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с такой проблемой, что при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатор рассеивается большая мощность. До настоящего времени в большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что использование источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, усложняется также дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ.

Выходом мне показалось использование управляемого выпрямителя на тиристоре т. к. появляется возможность создания источника питания, управляемого одной ручкой установки выходного напряжения или одним управляющим сигналом с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля (или почти от нуля) до максимального значения. Такой источник питания можно будет изготовить из готовых деталей, имеющихся в продаже.

К настоящему моменту управляемые выпрямители с тиристорами описаны и весьма подробно в книгах по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания применяются редко. В любительских конструкциях они также редко встречаются (кроме, конечно, зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов). Надеюсь, что настоящая работа поможет изменить это положение дел.

В принципе, описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах “Электроника Ц432”. Приведенные здесь схемы могут также быть использованы для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.

Описание своих работ я привожу не в том порядке как я их проводил, а более или менее упорядочено. Сначала рассмотрим общие вопросы, затем “низковольтные” конструкции типа источников питания для транзисторных схем или зарядки аккумуляторов и затем “высоковольтные” выпрямители для питания схем на электронных лампах.

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.

Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке U н выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Для ясности изложения предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке U н , а выпрямление производится другими приборами.

Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения (нижняя полуволна синусоиды “вывернута” вверх), обозначенные U выпр . Частота пульсаций f п на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100 Hz при питании от сети 50 Hz . Схемауправления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой t з относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя U выпр становится равным нулю.

Рис. 2.

Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка t з превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристора, тем меньше получится выпрямленное напряжение U н на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке U н сглаживаются конденсатором фильтра C ф . Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается что подзаряд емкости фильтра C ф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, однако, обычно намного меньше периода пульсаций Т п.

Теперь представим, что задержка момента включения тиристора t з равна половине периода пульсаций (см. рис. 3). Тогда тиристор будет включаться, когда напряжение на выходе выпрямителя проходит через максимум.

Рис. 3.

В этом случае напряжение на нагрузке U н также будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).

Здесь мы и сталкиваемся с проблемой. Предположим, что мы хотим регулировать напряжение на нагрузке почти от нуля до наибольшего значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущения потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в момент, когда U выпр проходит через максимум, т. е. t з = T п /2. С учетом того, что тиристор открывается не моментально, а подзарядка конденсатора фильтра C ф также требует некоторого времени, запускающий импульс нужно подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. t з < T п /2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения t з , частота сети, а значит, частота и период T п пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке U н возникает желание включать тиристор намного раньше половины периода пульсаций.

Предположим, что так мы и поступили, т. е. установили время задержки t з намного меньшее Т п /2. Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра C ф (см. первый импульс на рис. 4).

Рис. 4.

Оказывается, что при малом времени задержки t з возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор запускающего импульса напряжение на нагрузке U н оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя U выпр . В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием запускающего импульса. Один или несколько запускающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис. 4). Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.

Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет проходить постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.

Для того чтобы избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора вероятно можно отказаться от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Поэтому автор разработал схему тиристорного регулятора в которой тиристор нормально запускается управляющими импульсами и колебательного процесса не возникает. Такая схема приведена на рис. 5.

Рис. 5.

Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление R п , а конденсатор фильтра C R н подключены через пусковой диод VD п . В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра C ф .После подачи запускающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление R п и, затем, когда напряжение на R п превысит напряжение на нагрузке U н , открывается пусковой диод VD п и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра C ф . Сопротивление R п выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса t з . Понятно, что на пусковом сопротивлении бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, тогда можно будет применить пусковое сопротивление большой величины и уменьшить потери мощности.

Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод VD п , на котором бесполезно теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление R п к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление R п приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.

Рис. 6.

Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором

Ниже приводится описание нескольких конструкций низковольтных выпрямителей с тиристорным регулятором. При их изготовлении я взял за основу схему тиристорного регулятора, применяемого в устройствах для заряда автомобильных аккумуляторов (см. рис. 7). Эта схема успешно применялась моим покойным товарищем А. Г. Спиридоновым.

Рис. 7.

Элементы, обведенные на схеме (рис. 7), устанавливались на небольшой печатной плате. В литературе описано несколько подобных схем, отличия между ними минимальны, в основном, типами и номиналами деталей. В основном отличия такие:

1. Применяют времязадающие конденсаторы разной емкости, т. е. вместо 0.5 m F ставят 1 m F , и, соответственно, переменное сопротивление другой величины. Для надежности запуска тиристора в своих схемах я применял конденсатор на 1 m F .

2. Параллельно времязадающему конденсатору можно не ставить сопротивление (3 k W на рис. 7). Понятно, что при этом может потребоваться переменное сопротивление не на 15 k W , а другой величины. Влияние сопротивления, параллельного времязадающему конденсатору на устойчивость работы схемы я пока не выяснил.

3. В большинстве описанных в литературе схем применяются транзисторы типов КТ315 и КТ361. Порою они выходят из строя, поэтому в своих схемах я применял более мощные транзисторы типов КТ816 и КТ817.

4. К точке соединения базы pnp и коллектора npn транзисторов может быть подключен делитель из сопротивлений другой величины (10 k W и 12 k W на рис. 7).

5. В цепи управляющего электрода тиристора можно установить диод (см. на схемах, приведенных ниже). Этот диод устраняет влияние тиристора на схему управления.

Схема (рис. 7) приведена для примера, несколько подобных схем с описаниями можно найти в книге “Зарядные и пуско-зарядные устройства: Информационный обзор для автолюбителей / Сост. А. Г. Ходасевич, Т. И. Ходасевич -М.:НТ Пресс, 2005”. Книга состоит из трех частей, в ней собраны чуть ли не все зарядные устройства за историю человечества.

Простейшая схема выпрямителя с тиристорным регулятором напряжения приведена на рис. 8.

Рис. 8.

В этой схеме использован двухполупериодный выпрямитель со средней точкой т. к. в ней содержится меньше диодов, поэтому нужно меньше радиаторов и выше КПД. Силовой трансформатор имеет две вторичные обмотки на переменное напряжение 15 V . Схема управления тиристором здесь состоит из конденсатора С1, сопротивлений R 1- R 6, транзисторов VT 1 и VT 2, диода VD 3.

Рассмотрим работу схемы. Конденсатор С1 заряжается через переменное сопротивление R 2 и постоянное R 1. Когда напряжение на конденсаторе C 1 превысит напряжение в точке соединения сопротивлений R 4 и R 5, открывается транзистор VT 1. Коллекторный ток транзистора VT 1 открывает VT 2. В свою очередь, коллекторный ток VT 2 открывает VT 1. Таким образом, транзисторы лавинообразно открываются и происходит разряд конденсатора C 1 в управляющий электрод тиристора VS 1. Так получается запускающий импульс. Изменяя переменным сопротивлением R 2 время задержки запускающего импульса, можно регулировать выходное напряжение схемы. Чем больше это сопротивление, тем медленнее происходит заряд конденсатора C 1, больше время задержки запускающего импульса и ниже выходное напряжение на нагрузке.

Постоянное сопротивление R 1, включенное последовательно с переменным R 2 ограничивает минимальное время задержки импульса. Если его сильно уменьшить, то при минимальном положении переменного сопротивления R 2 выходное напряжение будет скачком исчезать. Поэтому R 1 подобрано таким образом чтобы схема устойчиво работала при R 2 в положении минимального сопротивления (соответствует наибольшему выходному напряжению).

В схеме использовано сопротивление R 5 мощностью 1 W только потому, что оно попалось под руку. Вероятно вполне достаточно будет установить R 5 мощностью 0.5 W .

Сопротивление R 3 установлено для устранения влияния наводок на работу схемы управления. Без него схема работает, но чувствительна, например, к прикосновению к выводам транзисторов.

Диод VD 3 устраняет влияние тиристора на схему управления. На опыте я проверил и убедился что с диодом схема работает устойчивее. Короче, не нужно скупиться, проще поставить Д226, коих запасы неисчерпаемы исделать надежно работающее устройство.

Сопротивление R 6 в цепи управляющего электрода тиристора VS 1 повышает надежность его работы. Иногда это сопротивление ставят большей величины или не ставят вовсе. Схема без него обычно работает, но тиристор может самопроизвольно открываться под действием помех и утечек в цепи управляющего электрода. Я установил R 6 величиной 51 W как рекомендовано в справочных данных тиристоров КУ202.

Сопротивление R 7 и диод VD 4 обеспечивают надежный запуск тиристора при малом времени задержки запускающего импульса (см. рис. 5 и пояснения к нему).

Конденсатор C 2 сглаживает пульсации напряжения на выходе схемы.

В качестве нагрузки при опытах регулятором использовалась лампа от автомобильной фары.

Схема с отдельным выпрямителем для питания цепей управления и запуска тиристора приведена на рис. 9.

Рис. 9.

Достоинством данной схемы является меньшее число силовых диодов, требующих установки на радиаторы. Заметим, что диоды Д242 силового выпрямителя соединены катодами и могут быть установлены на общий радиатор. Анод тиристора соединенный с его корпусом подключен к “минусу” нагрузки.

Монтажная схема этого варианта управляемого выпрямителя приведена на рис. 10.

Рис. 10.

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения может быть применен LC -фильтр. Схема управляемого выпрямителя с таким фильтром приведена на рис. 11.

Рис. 11.

Я применил именно LC -фильтр по следующим соображениям:

1. Он более устойчив к перегрузкам. Я разрабатывал схему для лабораторного источника питания, поэтому перегрузки его вполне возможны. Замечу, что даже если сделать какую-либо схему защиты, то у нее будет некоторое время срабатывания. За это время источник питания не должен выходить из строя.

2. Если сделать транзисторный фильтр, то на транзисторе обязательно будет падать некоторое напряжение, поэтому КПД будет низкий, а транзистору может потребоваться радиатор.

В фильтре использован серийный дроссель Д255В.

Рассмотрим возможные модификации схемы управления тиристором. Первая из них показана на рис. 12.

Рис. 12.

Обычно времязадающую цепь тиристорного регулятора делают из включенных последовательно времязадающего конденсатора и переменного сопротивления. Иногда удобно построить схему так, чтобы один из выводов переменного сопротивления был подключен к “минусу” выпрямителя. Тогда можно включить переменное сопротивление параллельно конденсатору, как сделано на рисунке 12. Когда движок находится в нижнем по схеме положении, основная часть тока, проходящего через сопротивление 1.1 k W поступает во времязадающий конденсатор 1 m F и быстро заряжает его. При этом тиристор запускается на “макушках” пульсаций выпрямленного напряжения или немного раньше и выходное напряжение регулятора получается наибольшим. Если движок находится в верхнем по схеме положении, то времязадающий конденсатор закорочен и напряжение на нем никогда не откроет транзисторы. При этом выходное напряжение будет равно нулю. Меняя положение движка переменного сопротивления, можно изменять силу тока, заряжающего времязадающий конденсатор и, таким образом, время задержки запускающих импульсов.

Иногда требуется производить управление тиристорным регулятором не при помощи переменного сопротивления, а от какой-нибудь другой схемы (дистанционное управление, управление от вычислительной машины). Бывает, что детали тиристорного регулятора находятся под большим напряжением и непосредственное присоединение к ним опасно. В этих случаях вместо переменного сопротивления можно использовать оптрон.

Рис. 13.

Пример включения оптрона в схему тиристорного регулятора показан на рис. 13. Здесь используется транзисторный оптрон типа 4 N 35. База его фототранзистора (вывод 6) соединена через сопротивление с эмиттером (вывод 4). Это сопротивление определяет коэффициент передачи оптрона, его быстродействие и устойчивость к изменениям температуры. Автор испытал регулятор с указанным на схеме сопротивлением 100 k W , при этом зависимость выходного напряжения от температуры оказалась ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, т. е. при очень сильном нагреве оптрона (оплавилась полихлорвиниловая изоляция проводов) выходное напряжение уменьшалось. Вероятно, это связано с уменьшением отдачи светодиода при нагреве. Автор благодарит С. Балашова за советы по использованию транзисторных оптронов.

Рис. 14.

При регулировке схемы управления тиристором иногда бывает полезна подстройка порога срабатывания транзисторов. Пример такой подстройки показан на рис. 14.

Рассмотрим также пример схемы с тиристорным регулятором на большее напряжение (см. рис. 15). Схема питается от вторичной обмотки силового трансформатора ТСА-270-1, дающей переменное напряжение 32 V . Номиналы деталей, указанные на схеме, подобраны под это напряжение.

Рис. 15.

Схема на рис. 15 позволяет плавно регулировать выходное напряжение от 5 V до 40 V , что достаточно для большинства устройств на полупроводниковых приборах, таким образом, эту схему можно взять за основу при изготовлении лабораторного источника питания.

Недостатком этой схемы является необходимость рассеивать достаточно большую мощность на пусковом сопротивлении R 7. Понятно, что чем меньше ток удержания тиристора, тем больше может быть величина и меньше мощность пускового сопротивления R 7. Поэтому здесь предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания.

Кроме обычных тиристоров в схеме тиристорного регулятора может быть использован оптотиристор. На рис. 16. приведена схема с оптотиристором ТО125-10.

Рис. 16.

Здесь оптотиристор просто включен вместо обычного, но т.к. его фототиристор и светодиод изолированы друг от друга, схемы его применения в тиристорных регуляторах могут быть и другими. Заметим, что благодаря малому току удержания тиристоров ТО125 пусковое сопротивление R 7 требуется менее мощное, чем в схеме на рис. 15. Поскольку автор опасался повредить светодиод оптотиристора большими импульсными токами, в схему было включено сопротивление R6. Как оказалось, схема работает и без этого сопротивления, причем без него схема лучше работает при низких напряжениях на выходе.

Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором

При разработке высоковольтных источников питания с тиристорным регулятором за основу была взята схема управления оптотиристором, разработанная В. П. Буренковым (ПРЗ) для сварочных аппаратов.Для этой схемы разработаны и выпускаются печатные платы. Автор выражает благодарность В. П. Буренкову за образец такой платы. Схема одного из макетов регулируемого выпрямителя с использованием платы конструкции Буренкова приведена на рис. 17.

Рис. 17.

Детали, установленные на печатной плате обведены на схеме пунктиром. Как видно из рис. 16, на плате установлены гасящие сопротивления R 1 и R 2, выпрямительный мост VD 1 и стабилитроны VD 2 и VD 3. Эти детали предназначены для питания от сети 220 V . Чтобы испытать схему тиристорного регулятора без переделок в печатной плате, использован силовой трансформатор ТБС3-0,25У3, вторичная обмотка которого подключена таким образом, что с нее снимается переменное напряжение 200 V , т. е. близкое к нормальному питающему напряжению платы. Схема управления работает аналогично описанным выше, т. е. конденсатор С1 заряжается через подстроечное сопротивление R 5 и переменное сопротивление (установлено вне платы) до того момента, пока напряжение на нем не превысит напряжение на базе транзистора VT 2, после чего транзисторы VT 1 и VT2 открываются и происходит разряд конденсатора С1 через открывшиеся транзисторы и светодиод оптронного тиристора.

Достоинством данной схемы является возможность подстройки напряжения, при котором открываются транзисторы (при помощи R 4), а также минимального сопротивления во времязадающей цепи (при помощи R 5). Как показывает практика, иметь возможность такой подстройки весьма полезно, особенно если схема собирается в любительских условиях из случайных деталей. При помощи подстроечных сопротивлений R4 и R5 можно добиться регулировки напряжения в широких пределах и устойчивой работы регулятора.

С этой схемы я начинал свои ОКР по разработке тиристорного регулятора. В ней же и был обнаружен пропуск запускающих импульсов при работе тиристора на емкостную нагрузку (см. рис. 4). Желание повысить стабильность работы регулятора привело к появлению схемы рис. 18. В ней автор опробовал работу тиристора с пусковым сопротивлением (см. рис 5.

Рис. 18.

В схеме рис. 18. использована та же плата, что и в схеме рис. 17, только с нее удален диодный мост, т.к. здесь используется один общий для нагрузки и схемы управления выпрямитель. Заметим, что в схеме на рис. 17 пусковое сопротивление подобрано из нескольких параллельно включенных чтобы определить максимально возможное значение этого сопротивления, при котором схема начинает устойчиво работать. Между катодом оптотиристора и конденсатором фильтра включено проволочное сопротивление 10 W . Оно нужно для ограничения бросков тока через опторитистор. Пока это сопротивление не было установлено, после поворота ручки переменного сопротивления оптотиристор пропускал в нагрузку одну или несколько целых полуволн выпрямленного напряжения.

На основании проведенных опытов была разработана схема выпрямителя с тиристорным регулятором, пригодная для практического использования. Она приведена на рис. 19.

Рис. 19.

Рис. 20.

Печатная плата SCR 1 M 0 (рис. 20) разработана для установки на нее современных малогабаритных электролитических конденсаторов и проволочных сопротивлений в керамическом корпусе типа SQP . Автор выражает благодарность Р. Пеплову за помощь с изготовлением и испытанием этой печатной платы.

Поскольку автор разрабатывал выпрямитель с наибольшим выходным напряжением 500 V , потребовалось иметь некоторый запас по выходному напряжению на случай снижения напряжения сети. Увеличить выходное напряжение оказалось возможным если пересоединить обмотки силового трансформатора, как показано на рис. 21.

Рис. 21.

Замечу также, что схема рис. 19 и плата рис. 20 разработаны с учетом возможности их дальнейшего развития. Для этого на плате SCR 1 M 0 имеются дополнительные выводы от общего провода GND 1 и GND 2, от выпрямителя DC 1

Разработка и налаживание выпрямителя с тиристорным регулятором SCR 1 M 0 проводились совместно со студентом Р. Пеловым в ПГУ. C его помощью были сделаны фотографии модуля SCR 1 M 0 и осциллограмм.

Рис. 22. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны деталей

Рис. 23. Вид модуля SCR 1 M 0 со стороны пайки

Рис. 24. Вид модуля SCR 1 M 0 сбоку

Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении

№ п/п	Минимальное положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	2 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	50 В/дел 2 мс/де

Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении

№ п/п	Среднее положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	2 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел

Таблица 3. Осциллограммы при максимальном напряжении

№ п/п	Максимальное положение регулятора напряжения	По схеме	Примечания
		На катоде VD5	5 В/дел 2 мс/дел
		На конденсаторе C1	1 В/дел 2 мс/дел
		т.соединения R2 и R3	2 В/дел 2 мс/дел
		На аноде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел
		На катоде тиристора	100 В/дел 2 мс/дел

Чтобы избавиться от этого недостатка схема регулятора была изменена. Было установлено два тиристора – каждый на свой полупериод. С этими изменениями схема испытывалась несколько часов и “выбросов” замечено не было.

Рис. 25. Схема SCR 1 M 0 с доработками

Схема управления тиристором

На пятом графике временной диаграммы изображено напряжение, действующее на тиристор. При a = 0 к тиристору приложено только обратное напряжение U b. max , которое достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и зависит от схемы выпрямителя (см. лекцию 3). Для рассматриваемого выпрямителя

. (15.2)

При a > 0 к тиристору, кроме обратного напряжения U b. max , прикладывается прямое напряжение U a , которое можно определить по формуле

Максимальной амплитуды U a. max = U 2 m прямое напряжение достигает при a = 90 0 . Для нормальной работы схемы должно выполняться условие U a. max < U вкл, чтобы тиристор не смог самопроизвольно (без подачи импульса управления) открыться.

При поступлении на тиристор отрицательной полуволны синусоиды он автоматически закрывается, и остаётся закрытым до поступления очередного импульса управления.

Рассмотрим теперь энергетические характеристики управляемого выпрямителя. Расчетные мощности обмоток S1, S2 и типовую мощность трансформатора S T определяют при a = 0, исходя из параметров неуправляемого режима.

В связи с тем, что при изменении угла регулирования a происходит сдвиг во времени первой гармоники потребляемого из сети тока i 1(1) относительно питающего напряжения, управляемый выпрямитель потребляет из сети реактивную мощность даже при чисто активной нагрузке. Угол сдвига первой гармоники тока питающей сети i 1(1) относительно питающего напряжения

, (15.4)

где- амплитуда косинусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i 1 ;

Амплитуда синусной составляющей первой гармоники разложения в ряд Фурье тока i 1 .

Действующее значение первой гармоники тока в первичной обмотке трансформатора

Коэффициент искажения формы тока

. (15.6)

Коэффициент мощности выпрямителя

, (15.7)

то есть с ростом угла регулирования коэффициент мощности снижается.

Управляемые выпрямители можно выполнить и по двухполупериодной, и по мостовой схемам. В этих схемах выходное напряжение в зависимости от a также определяется выражением (15.1), только U d0(a = 0) = 0,9×U 2 .

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали "моста", выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного "моста" существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой "В" проводят ток, "подобно" диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой "ВЛ" - от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить "корпуса" вентилей "ВЛ" (выход "минус"), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой "В". Такая схема проста в монтаже и "наладке", но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять "балласт"), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара "диод-тиристор" крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь - самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и "погонять" его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут "обжигать" руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который "помогает" прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в "советских" игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы "диссонирует" с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы ("сжечь" тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод - при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров - чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько "притупляет" схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым - в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по "вторичке" и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

силового;
схемы фазоимпульсного регулирования;
двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание "диодов" VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов "подходит", то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был "встроен" в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного "ключа" на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор "привязывает" потенциал точки "А" (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка "В") импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение "В", поэтому импульсы напряжения "С" имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения "С", через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке "Е", в момент перехода через логический порог, "переключает" логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки "Е" соответствует высокое логическое напряжение в точке "F".

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке "Е":

меньшее сопротивление R4 - большая крутизна - Е1;
большее сопротивление R4 - меньшая крутизна - Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом "В", во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке "F" раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

меньшее сопротивление R4 - раньше появляется импульс - F1;
большее сопротивление R4 - позже появляется импульс - F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 "повторяет" логические сигналы -точка "G". Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды - H1, большему - меньшая часть полупериода синусоиды - H2 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность "отрезков" синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением "логики" - пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения - приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз "подходящим" вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для "загрубления" шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

размыкают подстроечное сопротивление R1 - схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0...300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора - мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 - на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа - шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи "300 В".

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками "D" и "E" блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12...13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного "подзаряженным" аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика "закрывает" подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

Управлять амплитудой напряжения можно различными способами. Можно установить автотрансформатор, на выходе которого напряжение изменяется в зависимости от положения бегунка автотрансформатора. Другим вариантом управления напряжением является подмагничивание сердечника трансформатора или применение дросселей насыщения, которые при подмагничивании изменяют переменную составляющую магнитного поля и соответственно напряжения. Оба приведенных метода требуют наличия громоздких и тяжелых установок.

Решение данной проблемы возможно при использовании тиристоров, которые позволяют управлять как выпрямленным действующим напряжением, так и действующим значением переменного напряжения.

На рис . 7.8, а и б представлены тиристорный управляемый выпрямитель и тиристорный регулятор мощности. Эти схемы отличаются друг от друга тем, что нагрузка в случает тиристорного управляемого выпрямителя включена после выпрямителя, а в случае тиристорного регулятора мощности - до выпрямителя. В первом случае происходит управление действующим значением выпрямленного напряжения, а во втором - действующим значением переменного напряжения.

По нагрузке, включенной после выпрямителя , протекает постоянный по направлению ток. По нагрузке, включенной перед выпрямителем , протекает переменный по направлению ток. При отсутствии запускающего импульса формирователя тиристор не открывается, поэтому ток по нагрузке не идет и падение напряжения на ней отсутствует. При отсутствии запускающих импульсов формирователя тиристор закрыт. Напряжение на тиристоре растет до того момента, пока не произойдет отпирание тиристора. При этом напряжение с открывшегося тиристора перераспределяется на нагрузку. На ри с. 7.9. (под пунктирной линией) - падение напряжения на закрытом тиристоре, а заштрихованная площадь - соответствует действующему значению напряжения на нагрузке.

Угол управления тиристора отсчитывается от момента прохождения напряжения через нулевую точку. Чем больше угол управления тиристора, тем дольше он остается закрытым, тем позже тиристор открывается, тем меньше действующее значение напряжения на нагрузке. Для однофазной цепи предельный угол управления тиристора составляет 180.электрическ. градусов. При этом угле мгновенное значение напряжения тиристора равно нулю и следовательно с подачей управляющего импульса в этот момент действующее значение напряжения на нагрузке равно нулю.

Тиристорные регуляторы мощности могут быть выполнены по разнообразным схемам. Одна из таких схем представлена на рис . 7.10. Открывание тиристоров VS 1 и VS 2 происходит поочередно. В первый полупериод открывается тиристор VS 1 , а во второй - VS 2 . Запускающие импульсы управления поступают с формирователя импульсов на тиристор по заданному углу управления. Пусть требуется получить напряжение на выходе тиристорного управляемого выпрямителя, равное половине входного, что соответствует углу управления 90 о, при максимальном угле управления 180 о. Частота сети 50 Гц , что соответствует периоду колебаний

или 20 мС .

Одна полуволна имеет длительность 10 мС , что соответствует углу управления 180 о. Для получения угла управления в 90 о необходимо запустить тиристор через 5мС после момента достижения напряжением нулевой отметки.

Схема простейшего тиристорного управляемого выпрямителя представлена на рис . 7.11.

Особенностью тиристорных регуляторов является необходимость синхронизации работы формирователя импульсов и напряжения сети. При отсутствии таковой незначительный уход частоты приведет к существенному изменению угла управления, а следовательно, и требуемое напряжение не будет соответствовать реальному напряжению.

Тиристорный управляемый выпрямитель состоит из силового блока и синхронизируемого формирователя импульсов. В состав силового блока входит выпрямитель на диодах VD 1 -VD 4 , тиристор VS и нагрузка. При больших мощностях нагрузки тиристор и диоды должны выдерживать тот ток, который требуется потребителю. Расчет этих элементов приведен в разделе «Полупроводниковые диоды».

Формирователь импульсов состоит из параметрического стабилизатора напряжения, который одновременно выполняет функции синхронизатора и блока формирования импульсов по заданному углу управления.

Параметрический стабилизатор состоит из балластного сопротивления R б и стабилитрона VD 5 . Резисторы R 1 и R 2 - делитель напряжения, задающий режим работы аналога тиристора с управлением по аноду на транзисторах VT 1 и VT 2 . Фазовращатель или времязадающая цепь построена на резисторе R 4 и конденсаторе С .

Переменный ток не пойдет через диоды выпрямителя до тех пор, пока тиристор VS не получит запускающий импульс от формирователя. Для получения запускающего импульса необходимо чтобы открылся аналог тиристора. С приходом выпрямленного напряжения на параметрический стабилизатор избытки напряжения, превышающие напряжение стабилизации падают на резистор R б , а на стабилитроне остается напряжение стабилизации, зависящее от параметров стабилитрона. На выходе параметрического стабилизатора возникают импульсы трапециидальной формы. Одновременно нулевому значению входного напряжения соответствует нулевое значение напряжения на выходе стабилизатора, т.е. происходит синхронизация напряжения питания и формирователя импульсов.

При появлении напряжения на выходе стабилитрона начинает заряжаться конденсатор С через резистор R 4 . Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения срабатывания аналога тиристора, произойдет его открытие. Возникнет импульс тока разряда конденсатора С через транзисторы VT 1, VT 2 , и резистор R 3 на корпус схемы. На рис 7.11 ток разряда конденсатора показан пунктирной линией. Всплеск тока через резистор R 3 приведет к всплеску напряжения на управляющем электроде тиристора и запуску последнего. Время заряда конденсатора С относительно нулевого значения напряжения определяется параметрами резистора R 4 и емкостью конденсатора С . Цепь R 4 – C задает угол управления тиристора, соответствующий времени задержки запуска тиристора относительно нулевого напряжения. Для рассматриваемой схемы максимальный угол управления для однофазного тиристорного регулятора на частоте 50 Гц составляет 10 мС , что соответствует углу управления 180 о. Для угла управления в 90 о задержка запуска тиристора относительно нулевого значения напряжения составляет 5 мС. Изменяя положение ручки реостата R 4 можно задать любое время заряда конденсатора, т.е. задать угол управления тиристора. При перемещении бегунка реостата вверх растет сопротивление реостата, увеличивается время заряда конденсатора до напряжения включения тиристора, а, следовательно, растет угол управления тиристора и снижается действующее значение напряжения на нагрузке.

Действующее значение напряжения на нагрузке определяется по формуле

где U d - действующее значение напряжения на нагрузке; U dо – максимальное значение напряжения на нагрузке при угле управления j = 0 0 ; φ - угол управления тиристора.

При включении нагрузки R н 2 до выпрямителя, по ней протекает переменный по направлению ток только в том случае, если тиристор будет открыт. Тогда форма выходного напряжения, (т.е. на нагрузке) будет соответствующей рис . 7.12, е . Заштрихована действующая часть напряжения на нагрузке. При включении нагрузки перед выпрямителем по ней протекает переменный по направлению ток, действующее значение которого определяется временем открытого состояния тиристора, а форма выходного напряжения имеет вид рис . 7.1, ж .

Тиристор остается в схеме на прежнем месте, и формирователь остается тем же. В зависимости от того, в какой части схемы установлен резистор нагрузки, ток по ней протекает постоянный или переменный по направлению. Если по нагрузке проходит постоянный по направлению регулируемый ток, схема называется «Тиристорный управляемый выпрямитель». При включении нагрузки перед выпрямителем по ней протекает переменный по направлению ток, и схема называется «Тиристорный регулятор мощности».

Регулятор мощности можно построить и на симисторе (рис . 7.13).

Последовательно с симистором . Для открытия симистора необходимы управляющие импульсы, формирователь которых построен на парах транзисторов VT 1 -VT 2 и VT 3 -VT 4 . Каждая па

ра транзисторов представляющих собой аналоги тиристоров: VT 1 -VT 2 –с управлением по катоду, а VT 3 и VT 4 - с управлением по аноду. Балластное сопротивление R б и стабилитроны VD 1 и VD 2 образуют стабилизатор переменного напряжения. Угол управления симистора задается сопротивлением резистора (R о+R 1) и емкостью конденсатора С . При положительной полуволне верхняя обкладка конденсатора заряжается положительно, и когда напряжение на нем достигнет напряжения включения аналога тиристора происходит открытие аналога тиристора и запуск симистора VS .

Импульс тока разряда конденсатора проходит через резистор R 6 и открывает симистор.

При отрицательном полупериоде открывается аналог тиристора, построенный на транзисторах VT 3 - VT 4 и снова запускает симистор.

При работе тиристорных управляемых выпрямителей на индуктивную нагрузку (обмотки возбуждения и якорь двигателей постоянного тока) возникают проблемы выключения тиристоров, связанные с отставанием тока от напряжения. Для выключения тиристора требуется принудительная коммутация, так как ток самоиндукции обмоток возбуждения или якоря двигателя продолжает идти после достижения напряжением нулевого уровня. Этот вопрос в учебном пособии не рассматривается.

Мною давно изготовлен сварочный аппарат на базе трансформатора на кольцевом сердечнике от сгоревшего электродвигателя, который верно служит уже более 15 лет. За эти годы не покидало желание изготовить выпрямитель для сварки постоянным током, так как зажигание дуги и качество шва при этом намного лучше. Появляется возможность сваривать нержавеющую сталь. При плавной регулировке напряжения возможно подключение нихромовой нити для резки пенопласта, пластмассы, выжигания (точнее, вырезания из древесины разделочных досок для кухни, наличников и многого другого).

В различных изданиях попадались публикации на данную тему, но положительного результата добиться не удавалось. Дело в том, что если просто подключить к трансформатору диодный или диодно-тиристорный выпрямитель, на выходе получается напряжение с пульсацией 100 Гц. При сварке электродом для постоянного тока это достаточно много. В результате дуга нестабильна и постоянно срывается. Не помогает и установка в разрыв вторичной цепи сглаживающего дросселя. Но когда сварочный аппарат стоит в холодном гараже или под навесом на улице, где температура воздуха зимой опускается до -15...-25°С, и необходимо срочно что-то приварить, достаточно сложное электронное устройство начинает давать сбои.

Поэтому была собрана более простая схема выпрямителя, которая неплохо показала себя даже в зимний период.

Схема

Исключён фрагмент. Наш журнал существует на пожертвования читателей. Полный вариант этой статьи доступен только

Устройство (рис.1) состоит из сварочного трансформатора (промышленного или самодельного), диодно-тиристорного выпрямителя со схемой управления, сглаживающего конденсатора С1 и дросселя L1.

Фактически - это простой регулятор мощности. Так как питание схемы управления стабилизировано, установленное значение сварочного тока поддерживается довольно стабильно. Из-за наличия в схеме фильтрующих элементов С1 и L1, пульсаций напряжения на выходе практически нет. Дуга держится надежно, и качество шва получается высоким. Схема управления - это фазоимпульсный генератор на аналоге однопереходного транзистора, собранный на двух транзисторах разной проводимости. Питается от вторичной обмотки сварочного трансформатора Т1 через диодный мост VD1 и стабилизатор, образованный стабилитронами VD2, VD3. Их можно заменить одним на соответствующее напряжение стабилизации. Резистор R1 ограничивает ток, протекающий через стабилитроны. В зависимости разных выходных напряжений сварочных трансформаторов приходится подбирать R1 для оптимального тока стабилизации стабилитронов VD2, VD3 и устойчивой работы фазоимпульсного генератора.
Переменным резистором R2 производится регулировка сварочного тока. Он изменяет время заряда конденсатора С1 до напряжения открывания ключа на транзисторах VT1 и VT2.
При желании расширить диапазон регулировки тока (в меньшую сторону), увеличивается сопротивление R2 до 100 kOm. Управление мощными тиристорами VS1, VS2 , производится с помощью
маломощных VS3 и VS4, которые, в свою очередь, запускаются генератором через импульсный трансформатор T2.

Конструкция и детали

В моем варианте выпрямитель с регулятором выполнен отдельным блоком и присоединяется к сварочному аппарату гибкими перемычками примерно 0,5 м длиной. Это более удобно, так как не надо переделывать уже готовый сварочный аппарат, к тому же, можно варить как постоянным, так и переменным током. При таком исполнении выпрямительный блок можно подключать к любому сварочному трансформатору. Диоды и тиристоры установлены на отдельных ребристых радиаторах (рис.2).

Все соединительные перемычки выполнены многожильным медным проводом с контактными клеммами на концах под болтовое соединение. Электронная схема управления выполнена на печатной плате (рис.3), хотя и объемный монтаж, собранный качественно, ничуть не хуже.

Вид со стороны деталей

Импульсный трансформатор Т2 - марок ТИ-3; ТИ-4; ТИ-5, с коэффициентом трансформации 1:1:1. Его можно намотать самому на ферритовом кольце, например, 32x20x6 МН2000. Все обмотки содержат по 100... 150 витков медного обмоточного провода марки ПЭВ, ПЭЛШО 0,25...0,3 мм. Перед намоткой сердечник необходимо обмотать слоем лакоткани. Конденсатор С1 набран из 4 конденсаторов по 15000 мкФ с рабочим напряжением не менее 80В. Так как при замыкании и размыкании сварочной цепи и при горящей дуге токи подпитки, протекающие через конденсаторы, очень велики, то соединять конденсаторы необходимо по схеме "звезда" (от одной соединительной клеммы идут 4 провода на вывод "+" каждого конденсатора, и от второй клеммы - также 4 провода на вывод "-" конденсаторов). Сечение каждого провода выбрано таким, чтобы суммарное сечение всех 4 проводов было не меньше сечения питающих силовых кабелей.

При недоборе емкости кондесатора С1, 44000 мкф (два импортных по 22000 мкф на 90 в,) при работе аппарата кондесаторы греются от увеличенных токов (заряд-розряд), при четырех импортных по 22000 мкф на 90 в, при очень длительной работе в режиме сварки немного теплые. Практика показала, что С1 лучше работает из большего количества кондесаторов меньшей емкости.

Дроссель намотан на сердечнике площадью 20...30см2, с немагнитным зазором 0,5... 1 мм. Количество витков может быть от 25 до 60...80. Чем больше витков, тем лучше, но ухудшается отвод тепла от внутренних слоев обмотки. Провод для намотки должен иметь сечение, не меньшее площади сечения провода, которым намотана вторичная обмотка трансформатора. Это касается и всех перемычек, которыми сделаны соединения силового блока.

Сварочный ток может достигать 100...180А, в зависимости от мощности сварочного трансформатора. Это надо учитывать при монтаже.
При болтовом соединении надо соблюдать правило: сварочный ток не должен протекать через болт, если, конечно, он не медный или латунный. Это в основном касается входных и выходных клемм. Один из вариантов, как можно сделать, показан на рис.4.

Корпус выпрямителя желательно изготовить из негорючего материала, но можно даже из фанеры, если позволяет объем и отступить подальше от нагревающихся радиаторов.
В корпусе обязательны вентиляционные отверстия. Ручка регулятора тока устанавливается на корпусе, и вокруг наносится шкала с делениями - для более удобной установки тока. Для удобства регулировки рабочего тока я установил контрольную лампочку накаливания 110 в минимальной мощности по степени которой я ориентировался при установке тока сварки. В качестве предохранителя в первичной цепи трансформатора используется автомат на соответствующий рабочий ток.
Вентилятор для принудительного охлаждения необходимо использовать с достаточно приличной по размерам крыльчаткой. Все это создает условия для безопасной, более надежной работы устройства.

P.S. Приношу свои извинения за низкое качество снимков. Они пересняты телефоном (Nokia N73) со старых распечаток струйника.
Нет возможности сделать новые фото с аппарата так как он продан.