МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра электрических станций
ТИРИСТОРНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Методические указания
к лабораторной работе № 3
Дисц. «Энергетическая электроника»
Для спец. 10.01, 5 курс д/о
Киров 2000
УДК 621.311.2
Составитель : Ст. преподаватель Н.В. Петров,
каф. «Электрические станции»
Рецензент : ст. преподаватель А.В. Вычегжанин,
каф. «Электроэнергетические системы»
Подписано в печать Усл. печ. л 1,0
Бумага типографская Печать матричная
Заказ № Тираж 37 Бесплатно
Текст напечатан с оригинал-макета, предоставленного автором
610000, Киров, ул. Московская , 36
Изготовление обложки, изготовление ПРИП
Ó Вятский государственный технический университет, 2000
Права на данное издание принадлежат Вятскому
государственному техническому университету
1. ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
1.1 Изучить назначение и принцип действия управляемых выпрямительных устройств;
1.2 Ознакомиться с методикой расчета и характеристиками схем m
-фазных выпрямителей;
1.3 Закрепить полученные знания о выпрямительных устройствах, выполнив расчетную часть лабораторную работу.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 ТИРИСТОРЫ
Тиристор представляет собой четырехслойную полупроводниковую структуру типа р-п-р-п,
содержащую три p-n
-перехода (рисунок 1). Слой p1
выполняет в тиристоре функцию анода, а слой п
2
—
функцию катода. При сообщении аноду положительного напряжения по отношению к катоду тиристор после его отпирания пропускает прямой ток Iа
.
При обратной полярности анодного напряжения через прибор протекает небольшой обратный ток Iобр
.
Тиристоры, выпускаемые на рабочие напряжения от десятков до сотен вольт и на токи от десятков миллиампер до нескольких ампер, относят к группе маломощных. Тиристоры, рассчитанные на токи до 150—200 А при воздушном охлаждении и до 350—500 А при водяном охлаждении при напряжении до 1000 В и более, относят к группе мощных приборов. Если тиристор имеет только два основных электрода (анод и катод), то отпирание его (перевод во включенное состояние) и запирание (перевод в выключенное состояние) достигается изменением полярности напряжения питания (рисунок 1а
).
а) б)
Рисунок 1 — Структуры тиристоров: а) неуправляемых; б) управляемых
Такой тиристор называется однопроводящим диодным тиристором или динистором (а также переключающим диодом).
Если тиристор выполнен с тремя электродами (третий электрод подключен к слою р2
и выполняет функции управления), то перевод тиристора в открытое состояние можно осуществить с помощью тока управления. Такой тиристор называется однопроводящим триодным тиристором (рисунок 1б
).
В большинстве триодных тиристоров с помощью управляющего электрода можно осуществить лишь одну операцию отпирания прибора. Поэтому такие приборы называют иногда однооперационными или однопроводящими. Приборы, выпускаемые в небольших количествах на сравнительно малые токи (до 5 - 10 А), в которых с помощью электрода управления можно осуществить две операции — как отпирания, так и запирания, называются двухоперационными или полностью управляемыми тиристорами.
2.2 Диодные тиристоры
При сообщении динистору прямого напряжения, когда анод (слой p1
) положителен, а катод (слой n2
)
отрицателен, напряжение питания распределяется между тремя его переходами П1
,
П2
и П3
с полярностью, указанной на рисунке 1а
. При этом слой p
1
выполняет функцию первого эмиттера, инжектирующего дырки в слой п1
(толстая база, имеющая толщину 120— 140 мкм), а слой п2
выполняет функции второго эмиттера, инжектирующего электроны во вторую базу p2
(тонкая база толщиной примерно 10—15 мкм). Через тиристор проходят при этом два встречно-направленных потока носителей: дырок, уходящих от эмиттера р1
через базу п1
в базу p2
,
и электронов, уходящих от эмиттера п2
через базу p2
в базу п1
.
Таким образом, четырехслойную структуру тиристора можно рассматривать как комбинацию двух транзисторов p1
-n1
-p2
и n2
-p2
-n1
.
При этом толстая база п1
выполняет функции базы первого транзистора и коллектора второго, а тонкая база p2
- функции базы второго транзистора и коллектора первого. Переходы П1
и П2
являются эмиттерными для первого и второго транзисторов соответственно, а переход П2
является общим (центральным) коллекторным переходом у обоих триодов.
Эмиттерные переходы при указанной на рисунке 1а
полярности напряжения открыты, а к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, поэтому он воспринимает наибольшую часть напряжения источника питания.
Уходящий через открытый переход П1
в базу п1
поток дырок образует дырочную составляющую эмиттерного тока Iр
.
Аналогично через открытый переход П3
в базу р2
уходит поток электронов, образующий электронную составляющую эмиттерного тока In
. Пренебрегая небольшими по величине составляющими тока, образованного движениями неосновных носителей, в силу непрерывности тока получаем:
I p
= I n
= I.
Часть дырочного потока, вошедшая через переход П1
в базу n1
, частично рекомбинирует с электронами, образуя рекомбинационную составляющую дырочного тока I
p
*(1
-
ap
)
, а остальная часть дырочного потока, уходящая в слой р2
,
образует транзитную составляющую дырочного тока I
p
aр
. Аналогичны рекомбинационная составляющая электронного тока I
n
*(1-
aп
)
и транзитная составляющая этого тока Iп
aп
.
Коэффициенты a
p
и a
n
представляют собой коэффициенты передачи дырочного и электронного токов через базы n
1
и р
2
.
В общем балансе зарядов в базах принимают участие также заряды неосновных носителей, переносимые полем в коллекторном переходе из одной базы в другую. Эти заряды образуют составляющие собственного тока коллекторного перехода I
к
p
и I
к
n
. Сумма этих составляющих образует полный собственный ток коллекторного перехода:
I к
=
I к
p
+
I к
n
.
Для выполнения закона зарядной нейтральности необходимо, чтобы заряды разных знаков в каждой из баз и создаваемые ими токи были одинаковы. При учете всех составляющих тока баланс зарядов в базе n1
определяется следующим равенством:
Ip
*(1-
ap
) —
Iк
p
=In
a
a
n
+ Iкп
.
Аналогично для базы р2
имеем:
In
*(1 - an
) - Iк
n
= Ip
ap
+ Iкр
.
Так как Ip
=In
=I
, Iк
=Iк
p
+Iкn
, то последние два равенства можно представить в виде
I[1-(
aр
+
a
n
)]= Iк
.
Рисунок 2 — Вольт - амперная характеристика диодного тиристора
Это равенство устанавливает количественную связь между собственным током коллекторного перехода Iк
и полным током тиристора. Оно позволяет найти вольт - амперную характеристику тиристора. Коэффициенты передачи токов растут с увеличением эмиттерного тока. При малых значениях тока через прибор, соответствующих малым напряжениям:
a
р
+
a
п
<<
1
и
I
Iко
,
т. е. проводимость тиристора примерно такая же, как и проводимость кремниевого вентиля в обратном направлении (участок 1
вольт - амперной характеристики на рисунке 2). С ростом напряжения ток возрастает либо из-за утечек, либо из-за умножения носителей заряда в коллекторном переходе. С ростом тока коэффициенты передачи aр
и a
n
увеличиваются. При токе I
=Iотп
в базу п1
приходит больше электронов, чем их требуется для рекомбинации дырок, а в базу p2
— больше дырок, чем их требуется для рекомбинации электронов, т. е. в базе n
1
возникает избыток электронов, а в базе p2
—
избыток дырок. Нарушается условие зарядной нейтральности. Для восстановления нейтральности необходимо уменьшение тока Iк
, что связано со снижением напряжения на коллекторном переходе, а следовательно, и на всем приборе. Этому режиму соответствует участок 2
вольт - амперной характеристики. При некотором значении тока тиристора выполняется условие a
p
+
a
n
=1
и тогда напряжение на коллекторном переходе становится равным нулю, так как равен нулю коллекторный ток Iк
(точка В
на вольт - амперной характеристике тиристора). При дальнейшем увеличении тока, что соответствует режиму a
p
+
a
n
>1, полярность напряжения на коллекторном переходе изменяется. Это соответствует положительному напряжению на центральном переходе и встречной полярности по отношению к напряжению источника питания. Переход П2
открывается и через него из базы p2
диффундируют в базу n1
дырки, а из базы n1
в базу p2
— электроны. Такой режим соответствует отпертому состоянию тиристора (участок 3
вольт - амперной характеристики). При этом падение напряжения на приборе равно сумме падений напряжений на переходах П1
и П
3
минус падение напряжения на переходе П2
.
На рисунке 2 показана также характеристика обратного тока, которая в принципе не отличается от обратной ветви вольт - амперной характеристики диода.
Основными параметрами тиристора являются:
1. Iа. ср
- допустимое среднее значение прямого тока;
2. D
Uа
- падение напряжения на открытом тиристоре при допустимом значении прямого тока;
3. U
п
- напряжение переключения, при котором происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое;
4. I
уд
- ток удержания (или выключения) - минимум анодного тока, при котором прибор остается еще в открытом состоянии;
5. U
обр. макс
- допустимая амплитуда обратного напряжения;
6. Iобр
- обратный ток прибора при допустимом обратном напряжении.
2.3 Симметричные неуправляемые тиристоры
Симметричный неуправляемый тиристор (или двухпроводящий диодный тиристор) представляет собой прибор, структура которого показана на рисунок 3. Тиристор состоит из пяти чередующихся слоев электронного и дырочного типов проводимости, образующих четыре p-
n-
перехода.
Рисунок 3 – Структура симметричного неуправляемого тиристора.
Прибор имеет два вывода A и B. Особенностью симметричного тиристора является выведение к контактам, кроме слоев с электронной проводимостью п1
и n3
,
также двух слоев с дырочной проводимостью p1
и p2
. Тем самым осуществляется шунтирование p-n-
переходов П1
и П4
металлическими контактами. При подаче на прибор напряжения с полярностью, указанной на рисунке 3, на переходах П2
и П4
будет действовать прямое напряжение, а на переходах П1
и П3
—
обратное. При малых значениях приложенного напряжения ток через прибор незначителен, так как на переходах П1
и П3
действует обратное напряжение, а на переходе П4
—
прямое напряжение мало из-за шунтирования металлическим контактом B. Поэтому через переход П4
инжекция носителей заряда в область p2
практически отсутствует, и весь прибор в целом заперт. При увеличении приложенного напряжения в p-n
– переходе П3
достигается напряжение лавинного пробоя; при этом дальнейшее возрастание напряжения вызывает значительные токи через переход П3
.
Рисунок 4 – Вольт - амперная характеристика симметричного неуправляемого диодного тиристора.
В этом режиме в области p2
возникает заметное продольное падение напряжения, которое, будучи приложенным к p-n-
переходу П4
, оказывается достаточным для открывания перехода и интенсивной инжекции носителей заряда в область р2
.
С этого момента правая половина прибора работает точно так же, как диодный тиристор, к которому приложено прямое напряжение.
Если на электрод А
подан отрицательный потенциал относительно электрода В,
то левая половина прибора будет работать так же, как работала правая половина при противоположной полярности напряжения. Таким образом, симметричный неуправляемый тиристор можно рассматривать как два включенных встречно - параллельно диодных тиристора. Этот прибор имеет симметричную относительно начала координат вольт - амперную характеристику рисунок 4.
2.4 Триодный тиристор
Триодный тиристор отличается от диодного тем, что он имеет наружный вывод (управляющий электрод) от тонкой базы p2
.
Если к управляющему электроду приложить положительное напряжение относительно катода, то в цепи тонкой базы появляется дополнительный ток управления Iу
, который совпадает по направлению с током I
n
эмиттера п2
.
Таким образом, ток через эмиттер в этом случае равен I
n
=I+I
у
Рисунок 5 – Вольт - амперные характеристики триодного тиристора при (I
y2
>I
y1
>I
y
=0
).
Так как a
n
возрастает с ростом эмиттерного тока, то условие a
p
+
a
n
=1
будет выполняться при меньшем полном напряжении, чем при отсутствии тока управления. Таким образом, регулируя величину тока управления, можно изменять величину напряжения переключения тиристора. При некотором токе управления условие a
p
+
a
n
=1
выполняется при внешнем напряжении на приборе, близком к нулю, т. е. из вольт - амперной характеристики (рисунок 5) тиристора исключается участок отрицательного сопротивления.
В связи с неполной идентичностью геометрических размеров и электрических свойств слоев р2
и п2
статические входные характеристики цепи управления тиристоров имеют заметный разброс, границы которого определяются на рисунке 6 двумя кривыми.
.
Рисунок 6 – Статические входные характеристики цепи управления тиристора.
Кривая А
относится к тиристору с минимально возможным входным сопротивлением, а кривая В —
к тиристору с максимально возм
) должна лежать выше полосы наиболее вероятного разброса характеристик.
Электрическая мощность, теряемая в слоях p2
и n2
тиристора и в p-n
-переходах, преобразуется в тепло, которое вызывает дополнительный нагрев тиристора и должно быть рассеяно в пределах максимально допустимой температуры нагрева. Токи и напряжения, характеризующие предельно допустимую по режиму нагрева мощность управления, определяются координатами гиперболы Р
макс.
доп.
, построенной на рисунке 6.
В большинстве случаев включение тиристоров осуществляется путем подачи в цепь управления импульса тока. При этом с уменьшением длительности управляющего импульса его амплитуда должна возрастать. Длительность импульса управления должна быть достаточной для того, чтобы рабочий ток, начинающий протекать через управляемый вентиль, смог бы нарасти до величины, превышающей значение тока удержания.
Минимальная длительность импульса управления обычно не должна быть менее 20 мкс. Как правило, длительность импульса управления выбирают в пределах 100-150 мкс, при этом значения тока управления соответствуют каталожным данным.
Процессы отпирания и запирания тиристоров описываются динамическими характеристиками и параметрами. Эти процессы протекают обычно кратковременно, с длительностью от долей микросекунды до 100 мкс.
При наличии положительного анодного напряжения и достаточного по амплитуде управляющего сигнала тиристор отпирается в течение интервала времени, равного I
отп
. Время включения состоит из двух интервалов: времени задержки t
зад
, в течение которого ток возрастает до 10% установившегося значения, и времени нарастания t
нар
, в течение которого происходит дальнейшее увеличение тока до 90% установившегося значения.
Времена t
зад
, t
нар
и t
отп
зависят от ряда факторов:
1) с увеличением амплитуды управляющего сигнала t
зад
и t
нар
уменьшаются;
2) с увеличением тока нагрузки t
зад
и t
отп
увеличиваются;
3) с увеличением индуктивности в цепи нагрузки t
отп
возрастает;
4) при более высоких анодных напряжениях и температурах t
отп
несколько уменьшается.
Вторым важным динамическим параметром является скорость нарастания анодного тока di
a
/dt.
Превышение допустимой величины di
a
/dt
может привести к выходу тиристора из строя, даже если среднее за период значение выделяемой в тиристоре мощности не превышает предельно допустимой величины. Причиной этого является конечная скорость увеличения сечения проводящего «канала» в полупроводниковой структуре. Граница «включенной» части перехода распространяется со скоростью порядка 0,1 мм/мкс. Поэтому при больших di
a
/dt
плотность тока через включающийся вначале узкий «канал» около управляющего электрода оказывается весьма большой. Это приводит к резкому увеличению удельной мощности во «включенном» объеме кристалла и быстрому повышению местной температуры. Особенно опасны большие di
a
/dt
для мощных приборов с большой площадью перехода.
Для нормальной работы, тиристора необходимо также ограничить скорость нарастания анодного напряжения du
a
/dt.
При быстром изменении анодного напряжения через тиристор будет протекать емкостный ток. Этот ток протекает в прямом направлении и будет тем больше, чем больше емкость среднего p-n-
перехода и скорость нарастания анодного напряжения. Емкостный ток может вызывать умножение носителей зарядов в области среднего перехода по аналогии с умножением носителей зарядов от протекания тока управления. Таким образом, для каждого типа тиристора существует критическая скорость нарастания анодного напряжения (величина du
a
/dt,
которая указывается в паспорте прибора), при которой емкостный ток вызывает включение тиристора.
Для надежного запирания тиристора после прекращения тока в нем требуется некоторое время, называемое временем восстановления (t
восст
), которое необходимо для исчезновения избыточных зарядов. В противном случае тиристор может включиться при подаче прямого напряжения даже при отсутствии управляющего сигнала.
2.5 Обращенный тиристор
Тиристоры обычных типов в отпертом состоянии пропускают ток от основания к верхнему гибкому выводу прибора (анод на основании прибора). В ряде случаев при конструировании преобразователей электрической энергии желательно иметь «обращенные» тиристоры (анод на гибком выводе и катод на основании), что позволяет использовать групповые охладители. Промышленность выпускает обращенные тиристоры серии ВКДУО. Такие приборы выполняются на основании пятислойной структуры (с четырьмя p-
n-
переходами) и имеют вольт - амперные характеристики, аналогичные характеристикам обычных управляемых тиристоров. Особенностью обращенного тиристора является и то, что для отпирания прибора к управляющему электроду прикладывается положительное напряжение относительно анода, а не катода, как в обычных тиристорах.
2.6 Симметричный триодный тиристор
Симметричный (двунаправленный) триодный тиристор, как и симметричный диодный тиристор, проводит токи в обоих направлениях. Структурная схема такого прибора приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 – Структура симметричного триодного тиристора.
К трем основным слоям р
1
, п
2
и р
2
добавляются еще боковые слои n
1
и n3
с половинной площадью. При симметричном расположении слоев п
1
и n
3
пятислойную структуру симметричного триодного тиристора можно рассматривать (по отношению к плоскости симметрии АВ)
состоящей из двух встречно включенных четырехслойных структур:
II
со слоями p
1
-n
2
-p
2
-n
3
,
пропускающей прямой ток, когда слой р
1
положителен по отношению к слою n3
,
и I
со слоями p2
-n
2
-p
1
-п1
,
пропускающей прямой ток во встречном направлении, когда слой p2
положителен по отношению к слою п1
.
Вольт - амперная характеристика симметричного триодного тиристора одинакова для обоих направлений.
Нагрузочная способность по току у симметричного тиристора по отношению к каждой из структур составляет примерно 75% тока в однонаправленном тиристоре. Напряжения, выдерживаемые симметричным тиристором, примерно такие же, что и у однонаправленного.
3. ПОРЯДОК выполнения работы
В соответствии с вариантом задания (Таблица 1 Приложение А), указанным преподавателем, произвести расчет фильтра и его параметров в соответствии с приведенными в методических указаниях расчетными формулами. Для индуктивности, не входящей в резонансный контур, принять .
Обязательными для расчета являются следующие параметры:
1. Активные, индуктивные и емкостные сопротивления элементов входящих в фильтр;
2. Коэффициенты пульсации и затухания на входе и выходе фильтра;
3. Средние значения токов и напряжений на входе и выходе фильтра;
4. Для всех вариантов схем фильтров рассчитать потери активной энергии;
5. Для схем фильтров, имеющих резонансные контуры, рассчитать величины индуктивности ,емкости и добротность контура .
4. Контрольные вопросы
4.1 Требования, предъявляемые к схемам выпрямления.
4.2 Классификация схем выпрямительных устройств.
4.3 Способы снижения пульсаций выходного напряжения.
4.4 Выбор параметров элементов схемы.
4.5 Способы снижения уровня помех на выходе выпрямительных устройств.
4.6 Определение внешней характеристики выпрямительных устройств.
4.7 Способы повышения мощности выпрямительных устройств.
4.8 Основные характеристики выпрямительных диодов.
5. Рекомендуемая литература
5.1 Электротехнический справочник. под. ред. И.Н. Орлова и др. Т.3 Кн.2 Раздел 60 Источники вторичного электропитания -М.: Энергоатомиздат, 1988. – с. 490-533.
5.2 Гельфанд Я.С. Выпрямительные блоки питания и зарядные устройства в схемах релейной защиты. -М.: Энергия, 1971.
5.3 Полупроводниковые приборы (Справочник) под. редакцией Н.Н. Горюнова - М.: Энергоиздат, 1982.
5.4 Нетушила А.В. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники -М.: Высшая школа, 1986.
Приложение А
Таблица 1 — Исходные данные для расчетных вариантов
| № п/п |
Напряжение питания Uвх
|
Сопротивление нагрузки Rн
|
Схема выпрямления |
Сопротивление источника питания Zтр
|
Характеристика диода |
| 1 |
100 |
25 |
а |
0,4 |
идеальный |
| 2 |
70 |
40 |
б |
0,2 |
неидеальный |
| 3 |
120 |
30 |
в |
0,3 |
идеальный |
| 4 |
80 |
20 |
а |
0,25 |
неидеальный |
| 5 |
40 |
15 |
б |
0,1 |
идеальный |
| 6 |
50 |
12 |
в |
0,15 |
неидеальный |
| 7 |
80 |
25 |
а |
0,6 |
идеальный |
| 8 |
60 |
30 |
б |
0,5 |
неидеальный |
| 9 |
50 |
30 |
в |
0,35 |
идеальный |
| 10 |
60 |
20 |
а |
0,3 |
неидеальный |
| 11 |
70 |
15 |
б |
0,2 |
идеальный |
| 12 |
150 |
45 |
в |
0,6 |
неидеальный |
В Ы П И С К А
из протокола заседания кафедры “Электрические станции”
№ от
Слушали : Ст. преподавателя кафедры Петрова Н.В. об издании методических указаний “Поперечная дифференциальная токовая направленная защита параллельных линий” по дисциплинам “Защита и автоматика элементов СЭС”, “Релейная защита и автоматика” “Релейная защита”, для студентов 4 курса, специальностей ЭПА, ЭС, Э, в ВятГТУ.
Постановили: рекомендовать к изданию МУ Петрова Н.В. ”Поперечная дифференциальная токовая направленная защита параллельных линий” в ВятГТУ тиражом 100 экземпляров.
Зав. каф. ЭС А.В. Новиков
Ученый секретарь Р.В. Медов
В Ы П И С К А
из протокола заседания методического совета ЭТФ
№ от
Слушали: Новикова А.В., доцента кафедры “Электрические станции” об издании методических указаний ст. преподавателя Н.В. Петрова “Поперечная дифференциальная направленная токовая защита параллельных линий” для студентов 4 курса, специальностей ЭПА, ЭС, Э по дисциплинам “Защита и автоматика элементов СЭС”, “Релейная защита и автоматика”, “Релейная защита”.
Постановили: рекомендовать методические указания Петрова Н.В. “Поперечная дифференциальная токовая направленная защита параллельных линий” для специальности ЭПА, ЭС, Э, 4 курса к изданию в ВятГТУ, тиражом 100 экземпляров.
Председатель методсовета ЭТФ А.В.Голговских
Ученый секретарь М.Ф. Осинина