Глава 1. Узлы коммутации тиристоров

Тиристор, включенный последовательно с нагрузкой в цепь переменного тока, запирается естественным путем при переходе тока через нулевое значение. Для прерывания тока в любой момент времени (принудительная или искусственная коммутация) используются специальные схемы – коммутационные узлы (КУ). Их классифицируют по способу подключения основного элемента КУ – коммутирующего конденсатора (рис.1). В схеме КУ рис.1а конденсатор с помощью дополнительного ключа K подключается параллельно запираемому тиристору VS. На рис.1б подключают параллельно нагрузке, а на рис.1в включается в последовательную цепь тиристора VS и нагрузки. В последнем случае для замыкания цепи по постоянному току используют дроссель L.

Во всех схемах КУ используется один принцип – перевод тока тиристора VS в цепь коммутирующего конденсатора и создания на нем обратного напряжения на время, необходимое для восстановления запирающих свойств (время восстановления). Принято называть первые две схемы КУ с параллельной, а третью – с последовательной коммутацией тиристора VS.

На рис.2 представлен пример схемы и диаграммы, поясняющие принцип работы коммутационного узла с коммутирующим конденсатором, подключаемым в момент выключения параллельно силовому тиристору. В данной схеме первоначальный заряд конденсатора при пуске производиться до включения силового тиристора VS путем отпирания тиристора (подав импульс управления на управляющий электрод относительно катода). Ток заряда конденсатора протекает через открытый тиристор и нагрузку.

П о окончании зарядного процесса тиристор запирается, так как ток через него становится меньше тока удержания. Конденсатор при этом оказывается заряженным до напряжения приближенно равному напряжению источника питания. Полярность напряжения показана на рисунке в скобках. В дальнейшем подобный заряд конденсатора осуществляется перед очередной коммутацией силового тиристора. Как можно видеть, полярность напряжения на коммутирующем конденсаторе в исходном положении оказывается противоположной необходимой для запирания силового тиристора. Для «подготовки» коммутирующего конденсатора вводятся элементы . В момент времени подается импульс управления на силовой тиристор VS, который, открывшись, подсоединяет источник питания параллельно нагрузке. Протекает ток нагрузки, определяемый её типом. Одновременно с этим происходит резонансный перезаряд конденсатора по цепи: . Так как в указанной цепи перезаряда потери невелики в конце цикла перезаряда напряжение с полярностью, указанной на рис.2б без скобок. Амплитуда тока перезаряда . Необходимо отметить, что этот ток протекает через VS, суммируясь с током нагрузки. Перезаряд называют подготовительным.

В момент осуществляют коммутацию (запирание) тиристора VS, для чего подают отпирающий импульс на тиристор . Будем считать, что за время коммутации ток нагрузки не успевает измениться, т.е. перезаряд по цепи происходит по линейному закону. При этом в течении времени к тиристору VS приложено обратное напряжение и он должен восстановить запирающие свойства. После перезаряда коммутирующего конденсатора до напряжения источника питания отпирается диод VD₀ и ток нагрузки замыкается через него. В дальнейшем процессы повторяются.

Очевидно, что минимальное время открытого состояния VS , что является недостатком всех схем КУ с подготовительным перезарядом . Недостатком рассмотренного КУ является также зависимость времени перезаряда от нагрузки, а также удвоенное напряжение E на ней в момент коммутации.

С хема КУ изображенная на рис.3 работает аналогично предыдущей и отличается тем, что подготовительный перезаряд конденсатора осуществляется не через основной тиристор VS, а с помощью дополнительного тиристора включая его синхронно с тиристором VS.

В схеме изображенной на рис.4 коммутирующий конденсатор включен в диагональ моста, образованного коммутирующими т иристорами . Эти тиристоры попарно подключают конденсатор с требуемой полярностью для запирания силового тиристора. Таким образом, оба такта перезаряда конденсатора используются для запирания тиристора, а контур подготовительного перезаряда в схеме отсутствует.

В рассмотренных КУ осуществляется т.н. «жесткая» коммутация, когда через тиристор протекают весьма большие обратные токи за время рассасывания накопленного заряда и возникают всплески напряжения, снижающие надежность схемы. Режим «мягкой» коммутации получают, используя ток колебательного контура, направленный встречно току нагрузки, силовой тиристор VS при этом шунтируют обратно включенным диодом. На рис.5 приведена схема тиристорного ключа с «мягкой» коммутацией и диаграммы его работы.

Обратное напряжение на тиристоре VS, равное падению напряжения на проводящем диоде VD₁ соответствует времени , когда ток резонансного контура превышает ток нагрузки (рис.5 б). Так как , где – угол выключения, – частота контура, получим: