3.2 Быстродействующий тиристорный выключатель постоянного тока

Принудительная коммутация (выключение) тиристоров является основой работы полупроводниковых аппаратов постоянного тока и средством повышения быстродействия при отключении у аппаратов переменного тока. Существуют различные схемные решения, которые обеспечивают кратковременное снижение тока в цепи с тиристорами до нуля и их выключение. Но практическое применение в электрических аппаратах нашли только конденсаторные схемы принудительной коммутации, принцип действия которых рассмотрен на примере рисунка 3.1, б и в. Варианты построения схем принудительной коммутации и методики их расчета рассмотрены в работах. Здесь отметим, что по структуре, определяющей соединение элементов коммутирующего контура и подключение его к выключаемым тиристорам, узлы принудительной коммутации в аппаратах переменного тока и в аппаратах постоянного тока имеют существенные отличия. Однако принцип их работы, задачи и методы расчета элементов контура являются общими. Поэтому основные задачи проектирования подобных устройств рассмотрены ниже, на примере простой схемы выключателя постоянного тока (рисунок 3.3). По характеру протекающих процессов она практически не отличается от уже рассмотренной схемы на рисунке 3.1, б. Однако замена механического контакта дополнительным тиристором VS2 позволяет существенно улучшить коммутационные характеристики аппарата и делает его более чувствительным к управлению.

Из рисунка видно, что вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS₂ может быть включен либо от анодного напряжения (замыканием кнопки «Стоп»), либо напряжением, снимаемым с измерительного резистора - шунта R_ш . В последнем случае напряжение на шунте должно превысить значение, равное U=U_GT+U_F+U_C, где U_GT − напряжение управления, достаточное для надежного включения тиристора VS₂; U_F − падение напряжения на диоде VD₂ и U_C − напряжение стабилизации (переключения) стабилитрона VD₁.

В аварийных режимах работы, сопровождающихся многократным увеличением тока по отношению к номинальному, отключение цепи осуществляется автоматически при включении тиристора VS₂. Регулированием сопротивления R_ш и подбором стабилитрона по параметру U_C можно заранее задать значение тока перегрузки или тока короткого замыкания (КЗ), при которых произойдет отключение выключателя. Причем высокое быстродействие выключателя позволяет прервать ток КЗ задолго до того момента, когда он достигнет максимального значения.

В оперативном режиме включение и отключение номинальных токов производятся замыканием управляющих цепей тиристоров VS₁ и VS₂, соответственно кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Ограничение тока в управляющих цепях тиристоров осуществляется резисторами R_Y. Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами на рисунке 3.4

Рисунок 3.3 − Автоматический тиристорный

выключатель

Для надежного выключения тиристора VS₁ необходимо, чтобы схемное время t_с, показанное на графике изменения напряжения u_VS1=f(t), было больше времени выключения тиристора. В противном случае тиристор может вновь перейти в проводящее состояние под воздействием прямого напряжения, которое прикладывается к нему в процессе перезарядки конденсатора (см. также рисунок 3.2).

Минимальную емкость конденсатора, обеспечивающую поддержание обратного напряжения на тиристоре VS₁ в течение времени t_с, можно определить из анализа коммутационных процессов, происходящих непосредственно после включения тиристора VS₂.

Предполагая, что запирающая способность тиристора VS₁ в обратном направлении восстанавливается мгновенно (обратный ток i_R отсутствует), уравнение разрядки конденсатора после включения тиристора VS₂ запишем в виде

,

где U − напряжение источника питания;

i − ток через последовательно соединенные R_н C_K, VS₂.

Рисунок 3.4 − Электромагнитные процессы при отключении

выключателя постоянного тока

Решение этого уравнения известно:

. (3.1)

Напряжение на конденсаторе С_к, являющееся одновременно и напряжением на тиристоре VS₁, находится интегрированием выражения (3.1):

(3.2)

В момент времени t = t₂ - t₁ = t_c напряжение на тиристоре VS₁ равно нулю, и, следовательно, из выражения (3.2) получаем

.

Прологарифмировав это выражение, можно определить соотношение между емкостью конденсатора С_к и схемным временем

.

Учитывая, что взаимосвязь между сопротивлением R_Н и то­ком в коммутируемой цепи I_К при напряжении источника U выражается формулой U= R_НI_К, последнее уравнение можно переписать так

. (3.3)

Надежное выключение тиристора VS₁, обладающего временем выключения, равным t_q, будет при t_с >> t_qk_q, где k_q= 1,5...2 − коэффициент, учитывающий изменение t_q при несовпадении температуры PN-структуры, коммутируемого тока, обратного напряжения и скорости приложения прямого напряжения с классификационными значениями. Следовательно, минимальная емкость коммутирующего конденсатора должна удовлетворять условию

. (3.4)

Если нагрузка активно-индуктивная, то для обеспечения рассеяния энергии, запасенной в индуктивных элементах к моменту прерывания тока, она должна шунтироваться диодом, как это показано на рисунке 3.3 штриховой линией. Расчет С_К в этом случае основывается на допущении, что ток нагрузки в течение всего интервала коммутации остается неизменным. Конденсатор С_К при этом будет разряжаться с постоянной скоростью, и напряжение на нем изменяется согласно уравнению

(3.5)

Как и при активной нагрузке, схемное время t_с определяется промежутком времени, по прошествии которого обратное напряжение на тиристоре снижается до нуля. Следовательно, при подстановке в выражение (3.5) t_с вместо t имеем t_сtК/C_K = 0. С учетом условия t_с≥ t_qk_q из этого выражения непосредственно вытекает формула для определения минимальной емкости конденсатора:

(3.6)

Следует подчеркнуть, что выражения (3.4) и (3.6) получены без учета индуктивностей и активных сопротивлений, которыми обладают элементы контура, в том числе и соединительные провода. Эти сопротивления ограничивают максимальное значение тока в коммутирующем контуре и скорость его нарастания.

Однако, если аппарат предназначен для отключения аварийных токов, собственная индуктивность элементов контура является недостаточной для ограничения di/dt до значений, выдерживаемых низкочастотными тиристорами. В этом случае необходимо последовательно с коммутирующим тиристором включать дополнительно реактор индуктивностью L_К (на рисунке 3.3 это соответствует переведению переключателя S в положение 2). Параметры элементов контура коммутации при шунтировании силового тиристора VS₁ обратно включенным диодом определяются выражениями

где Uc₀ − напряжение предварительной зарядки конденсатора.

Максимальная скорость нарастания тока в коммутирующем контуре, которая обусловливает выбор группы тиристора VS2 по (di/dt)_crit, определяется формулой

di/dt = (Uc₀/L_К) 10⁶.

Обращаясь к диаграммам переходных процессов (рисунок 3.4), выделим характерные для выключателей с емкостной коммутацией тиристоров особенности.

1. При включении коммутирующего тиристора источник питания и заряженный до напряжения источника конденсатор оказываются соединенными последовательно. Это вызывает скачкообразное увеличение тока в цепи до значения I_Н =2U/R_Н, что неблагоприятно сказывается на нагрузке, особенно при отключении аварийных токов.

2. Интервал времени t = t₃ – t₁, в течение которого конденсатор С_К перезаряжается, определяет быстродействие выключателя при отключении и частоту коммутаций. При повторном включении тиристора VS₁ конденсатор вновь должен перезарядиться и тем самым обеспечить готовность к последующему отключению аппарата. Для сокращения времени перезарядки конденсатора С_К, что важно при работе выключателя в режиме АПВ, необходимо уменьшать постоянную цепи зарядки τ = R₁С_К. Учитывая, что емкость С_К обусловлена схемным временем t_с, это можно достичь уменьшением сопротивления резистора R₁.

3. Процесс отключения тока в цепи нагрузки заканчивается выключением тиристора VS₂. Для этого необходимо обеспечить ограничение тока резистором R₁ (после перезарядки конденсатора С_К) до значений I ≤ I_Н тиристора. Ввиду того, что ток удержания мощных тиристоров составляет десятки или сотни миллиампер, сопротивление резистора R₁ должно быть достаточно большим что противоречит сформулированному в п. 2 требованию. Поэтому, чтобы не снизить частоту коммутаций выключателя, зарядка конденсатора С_К осуществляется обычно с помощью дополнительной зарядной цепи с малой постоянной времени τ от автономного источника питания.

4. Важной задачей при создании выключателей с емкостной коммутацией тиристоров является ограничение перенапряжений, возникающих на конденсаторе С_К. В зависимости от параметров коммутируемой цепи и режима короткого замыкания они могут превышать значение (1,5...2)U [28]. Для ограничения уровня перенапряжений до приемлемых значений необходимо использовать различные демпфирующие цепи, полупроводниковые или оксидно-цинковые (варисторы) нелинейные ограничители. В некоторых разработках целесообразным становится применение двухконтурных или двухступенчатых коммутирующих узлов, с помощью которых реализуется снижение скорости спада тока, в процессе его отключения и существенное уменьшение перенапряжений.

Если аппарат (см. рисунок 3.3) предназначен для оперирования только с номинальными токами при постоянных параметрах нагрузки, сложности с перенапряжениями и кратковременным увеличением тока не возникают. В этом случае без принципиальных изменений схема может быть использована для реализации многих других функций. Например, при замене зарядного резистора R₁ второй нагрузкой она способна выполнять функции быстродействующего коммутатора, т. е. поочередно подключать нагрузки к источнику питания. При равенстве сопротивлений нагрузок эта же схема является симметричным триггером, который может быть использован для управления электромагнитами, реле или любыми другими исполнительными органами. При этом принцип действия схемы независимо от того, какие функции она выполняет, остается неизменным.