Схемы тиристорных прерывателей

Современный этап развития силовых тиристорных регуляторов характеризуется большим разнообразием схем тиристорных прерывателей, в том числе постоянного тока. Однако при всем их разнообразии они обладают характерными общими особенностями, вытекающими в основном из характеристик самих тиристоров. В основе тиристорного прерывателя лежит тот или иной способ снижения тока, протекающего через выключаемый тиристор, до значения ниже тока удержания тиристоров. В схемах регуляторов тяговых двигателей постоянного тока наиболее распространен емкостный способ коммутации тиристоров, при котором предварительно заряженный конденсатор подключается параллельно выключаемому тиристору плюсом к катоду (рис. 111). В результате ток /_т, протекавший через выключаемый тиристор, в момент времени t₀ коммутируется из тиристора в конденсатор.

В первый момент времени при t = t₀ подключение конденсатора С с указанной на рис. 111 полярностью обусловливает появление на тиристоре обратного напряжения U_T, которое сохраняется на нем до тех пор, пока конденсатор не разрядится током i_c=i_T до нуля.

В период времени, пока на тиристоре обратное напряжение, прямой ток через него не протекает и тиристор восстанавливает свои запирающие свойства. Время, в течение которого к тиристору приложено обратное напряжение, называют схемным временем выключения тиристора <сх, т. е. временем, которое предоставляется схемой тиристору для восстановления его запирающих свойств. Для нормальной работы тиристоров, очевидно,

Те tcx-

Схемное время в простейшем случае зависит от заряда конденсатора q-UC и тока, протекавшего через тиристор,

*сх = - = - • (П6)

f т f X

Если коммутирующий конденсатор перезаряжается до напряжения, равного начальному значению (но противоположного знака), то полное время его перезаряда

Рис, Ш. Схема (а) и осциллограммы (б) при емкостной параллельной коммутации

Таким образом, при емкостной коммутации схемное время выключения тиристора всегда прямо пропорционально напряжению и емкости коммутирующего конденсатора и обратно пропорционально току выключаемого тиристора.

Рассмотрим схему тиристорного прерывателя с предварительным перезарядом коммутирующего конденсатора (рис. II2, а). Схема управления тиристорами обеспечивает сначала включение вспомогательного тиристора Т2. Тогда коммутирующий конденсатор Си будет заряжен по цепи: « + » и_п, С_к, Т2, М, «-» (У_п полярностью, указанной на рис. 112, а. После заряда конденсатора до напряжения источника питания И_п ток заряда прекращается и тиристор Т2 выключается, а ток нагрузки і_д замыкается по цепи нулевого диода Д₀. При включении тиристора Т1 через него будет протекать сумма двух токов: ток нагрузки г_д и ток перезаряда конденсатора і_Ск- Причем ток і_д будет протекать до цепи: « + » Н_ш Т1, М, «-»П_ш а ток перезаряда конденсатора і_ск по цепи: Сю 77, а, Д1, С_к- Ток нагрузки і_д будет нарастать, так как к нагрузке, содержащей в общем случае э. д. с., индуктивное и активное сопротивления, приложено постоянное напряжение и_а. Ток перезаряда конденсатора іск будет изменяться по синусоидальному закону, обусловленному наличием в цепи его конденсатора С_к и перезарядной катушки индуктивности Ь. Период колебательного перезаряда конденсатора будет определяться параметрами С_к и Ь и равен Го=2л У ЬСк- Амплитуда перезарядного тока і_окт= С_пУС_к/2 будет достигнута через промежуток времени і = 7’₀/4 после включения тиристора 77 (рис. 112, б).

Процесс перезаряда конденсатора С_к заканчивается через промежуток времени С-^о = 7’о/2, так как изменению направления тока в колебательном контуре будет препятствовать блокирующий диод Д1. Таким образом, при включении тиристора 77 коммутирующий конденсатор перезаряжается только один раз - на противоположную полярность.

Из сказанного следует, что тиристор 77 нагружается суммой токов г’д+г'ек и минимальное время включенного состояния тиристора 77 определяется временем перезаряда конденсатора С_к

Теперь, чтобы выключить тиристор ті, достаточно подать управляющий импульс на вход тиристора Т2. После включения тиристора Т2 (при напряжение конденсатора С_к приложено к тиристору Т1 в обратном направлении, а ток нагрузки і_ж начнет протекать по цепи: «+» и и, С_к, Т2, М, «-» и_а. Эта цепь существует на интервале времени і₃-і₂, в течение которого коммутирующий

(118)

конденсатор перезаряжается практически постоянным током до напряжения источника питания 0_п первоначальной полярности.

Из рис. 112, б видно, что в процессе указанного перезаряда конденсатора существует интервал времени t_Cli, в течение которого к тиристору 71 приложено обратное напряжение. Это время предоставляется тиристору 77 для восстановления его запирающих свойств в прямом направлении, оно заканчивается в момент прохождения напряжения конденсатора через нуль.

При ?=/₃ напряжение питания С/_п будет уравновешиваться напряжением перезаряженного конденсатора и ток через тиристор 72 становится равным нулю, а ток нагрузки под действием э. д. с. самоиндукции индуктивности нагрузки будет протекать, замыкаясь через нулевой диод До.

Начиная с момента времени ?=7з, напряжение на нагрузке практически равно нулю, пока снова не включится тиристор 77 через период регулирования 7.

Следует подчеркнуть, что на интервале времени %-Ь (в процессе выключения тиристора 71) тяговый двигатель продолжает получать энергию от источника питания и к нему приложено напряжение (см. осциллограмму С/_д0 на рис. 112, б). Минимальное время процесса перезаряда конденсатора С_к током нагрузки ограничивается временем восстановления тиристора 71. Чем меньше время восстановления тиристора, тем меньше можно получить интервал времени 4-и.

Время импульса напряжения на нагрузке в схеме с предварительным перезарядом конденсатора складывается из времени включенного состояния главного тиристора 71 и вспомогательного тиристора 72

Рис. 112. Схема тиристорного прерывателя с предварительным перезарядом С_к (а) и осциллограммы (б)

Рис. 113. Схема тиристорного Прерывателя с дополнительным разрядным контуром (а) и осциллограммы (б)

Таким образом, минимальное время импульса напряжения на нагрузке в схеме с предварительным перезарядом конденсатора ограничено параметрами колебательного контура Ь, С_к и временем восстановления главного тиристора т_в-

Указанные ограничения являются определенным недостатком рассмотренной схемы, так как для обычно требуемого диапазона регулирования напряжения на тяговом двигателе необходимо снижать частоту регулирования до 30-50 Гц, что увеличивает массу, размеры и стоимость сглаживающих устройств.

Другим недостатком схемы рис. 112, а является существенная зависимость коэффициента заполнения % от напряжения питающей сети и тока нагрузки.

В связи с отмеченными недостатками практическое применение данной схемы часто сопровождается теми или иными схемными дополнениями, направленными на ликвидацию или уменьшение указанных недостатков.

Примером может служить схема, показанная на рис. 113, а, принцип действия которой во многом аналогичен схеме рис. 112, а. Напряжение к двигателю подводится при включении главного тиристора 77. При включении вспомогательного тиристора Т2 происходит предварительный перезаряд коммутирующего конденсатора по цепи: С_к, Ы, Т2, после окончания которого конденсатор будет иметь полярность, противоположную указанной на схеме (рис. 113, а). По окончании процесса предварительного перезаряда конденсатора, когда его напряжение достигнет максимального значения, а ток г'_ск пройдет через нуль (см. осциллограммы рис. 113, б), к обоим тиристорам 77 и Т2 будет приложено обратное напряжение, равное напряжению конденсатора С_к, по цепи: Сю Д1, Д2, Ь2, Ы, и тиристоры выключаются. Причем в этом случае через коммутирующий конденсатор будет протекать сумма токов: ток нагрузки г_д и ток колебательного контура, образованного конденсатором С_к и катушками индуктивности Ы, Ь2.

Таким образом, в этой схеме даже при токе нагрузки, равном нулю, произойдет перезаряд конденсатора на исходную полярность по колебательному контуру, образованному дополнительными разрядными элементами Ь2, Д2. Параметры разрядной индуктивности выбирают так, чтобы при максимальном токе нагрузки энергия коммутирующего конденсатора, отдаваемая в разрядный контур, составляла сравнительно небольшую часть (10-20%) максимальной его энергии. Тогда при снижении тока нагрузки часть энергии конденсатора, отдаваемая в разрядную цепь, будет увеличиваться и при токе нагрузки г_ц=0 вся энергия конденсатора будет проходить через разрядную цепь. Таким образом, разрядная цепь Ь2, Д2 стабилизирует время перезаряда коммутирующего конденсатора при выключении главного тиристора. Это время даже при /_д=0 не может быть больше, чем /_р=я У С_К(Ь₁ + Ь₂). Напомним, что в схеме рис. 112, а это время при г_д=0 согласно формуле (117) равно оо.

Включение катушки индуктивности ЬЗ в цепь нулевого диода До в схеме рис. 113, а позволяет повысить нагрузочную способность тиристорного регулятора, так как конденсатор С_к получает дополнительную энергию из питающей сети пропорционально току нагрузки. Благодаря наличию катушки индуктивности ЬЗ при выключении тиристоров 77 и Т2, когда конденсатор С_к перезарядится до напряжения ?/_п, ток нагрузки не может сразу замкнуться по цепи нулевого диода Д₀. Этому будет препятствовать э. д. с. самоиндукции в катушке индуктивности ІЗ. Время, в течение которого ток в катушке ІЗ будет нарастать до тока нагрузки, будет соответствовать времени дополнительного заряда конденсатора С_к. При этом дополнительное напряжение конденсатора Д7/_Ск будет пропорционально току нагрузки і_л

Наконец, изменение схемы включения главного тиристора и элементов коммутирующего узла по сравнению со схемой рис. 112, а позволяет начинать работу ТИР, включая главный и вспомогательный тиристоры в любой последовательности и даже одновременно, коммутирующие свойства тиристорного регулятора при этом не нарушаются. Это стало возможным благодаря заряду конденсатора независимо от включения тиристоров, так как он заряжается сразу после подключения схемы к источнику питания по цепи: «+»

С_к, Д1, М, «-» и_п, а также вследствие другого включения контура предварительного перезаряда вспомогательным тиристором Т2. При этом главный тиристор не нагружается током предварительного перезаряда, что также следует считать положительным свойством данной схемы.

Известны схемы тиристорных прерывателей без предварительного перезаряда коммутирующего конденсатора. Примером таких схем может служить схема, представленная на рис. 114, а, в которой нагрузка разделена на две параллельные группы (фазы) М1, М2. Если же нагрузкой является один тяговый двигатель (например, на троллейбусе, электромобиле и т. д.), то в качестве двухфазной нагрузки используют сглаживающие фазные индуктивности (см. рис. 108).

Каждая из фазных нагрузок шунтирована своим нулевым диодом Д1, Д2 и имеет свой главный тиристор ТІ, Т2. Коммутирующий узел, состоящий из конденсатора С_к и вспомогательных тиристоров ТЗ-Тб, является общим для главных тиристоров обеих фаз. Поэтому такую схему часто называют двухфазной схемой с общим узлом коммутации. Особенностью такого коммутирующего узла является отсутствие цикла предварительного перезаряда коммутирующего конденсатора.

Минимальный коэффициент заполнения в схеме рис. 114, а соответствует режиму работы, когда поочередно включаются соответствующие пары вспомогательных тиристоров ТЗ, Т5 и Т4, Тб. Включение четной пары вспомогательных тиристоров сдвинуто относительно момента включения нечетной пары на 180° (см. рис. 114, б).

При включении тиристоров ТЗ, Т5 конденсатор С_к заряжается током нагрузки первой фазы г'_ді по цепи: «+» Т/п, АН, ТЗ, С_к, Т5, «-» и_п. После заряда конденсатора до напряжения Н_п через тири-

(123)

Рис. 114. Схема двухфазного тиристорного прерывателя без предварительного перезаряда С_к (а) и осциллограммы (б, в)

сторы ТЗ, Т5 ток прекращается и они выключаются, а ток нагрузки ід] замыкается через нулевой диод Д1.

При включении следующей пары вспомогательных тиристоров Т4, Тб коммутирующий конденсатор будет перезаряжаться на противоположную полярность, НО уже ТОКОМ нагрузки Ід2- Этот процесс перезаряда заканчивается, когда напряжение на конденсаторе С_к достигнет напряжения питания ?/_п. При этом ток через тиристоры Т4, Тб прекращается и они выключаются, а ток нагрузки і_д2 продолжает протекать через М2, замыкаясь через нулевой диод Д2. Далее снова включается пара вспомогательных тиристоров ТЗ, Т5

й конденсатор С„ перезаряжается током нагрузки і_лі на противоположную полярность, т. е. процесе повторяется.

В режиме периодического перезаряда коммутирующего конденсатора через нагрузки последние получают энергию из контактной сети, равную энергии, запасаемой конденсатором в каждом цикле перезаряда.

Следовательно, в момент трогания, когда э. д. с. вращения двигателя Е=0, минимальные ток нагрузки и коэффициент заполнения будут соответственно равны:

где г - активное сопротивление нагрузки одной фазы; г\=г₂=г\ 1 - частота включений каждого вспомогательного тиристора;

Г=1/7\

Для увеличения коэффициента заполнения ТИР служат главные тиристоры 77, Т2, которые, как и вспомогательные тиристоры, включаются со сдвигом на 180°.

При включении тиристора 77 напряжение источника питания прикладывается к нагрузке первой фазы, в результате диод Д1 запирается, а ток в ней нарастает. Для выключения тиристора 77 необходимо включить вспомогательные тиристоры ТЗ, Т5, когда напряжение на коммутирующем конденсаторе имеет полярность «+» справа. В этом случае к главному тиристору 77 прикладывается напряжение ис_к в обратном направлении. Ток через тиристор 77 прекращается, а коммутирующий конденсатор перезаряжается на противоположную полярность («+» слева) током нагрузки по цепи: «+» и„, МЛ, ТЗ, С_к, Т5, «-» и и- До момента прохождения напряжения конденсатора через нуль на тиристоре Т1 имеется обратное напряжение. Этот этап перезаряда С_к обеспечивает восстановление запирающих свойств тиристора 77. Ток через вспомогательные тиристоры ТЗ, Т5 прекращает протекать после того, как конденсатор перезарядится до напряжения источника питания. Начиная с этого момента, ток нагрузки первой фазы будет снова замыкаться через диод нулевого контура Д1, а коммутирующий конденсатор С_к будет подготовлен к выключению главного тиристора второй фазы.

После включения главного тиристора Т2 напряжение И_и прикладывается к нагрузке второй фазы и процессы в ней протекают аналогично первой фазе (рис. 114, б). Для выключения тиристора Т2 включаются вспомогательные тиристоры Т4, Тб. При этом напряжение конденсатора С_к прикладывается в обратном направлении к тиристору Т2 и последний выключается, а конденсатор перезаряжается на противоположную полярность по цепи: «+» и_т М2, Т4, С„, Тб, «-» V_ш подготовляясь к.выключению главного тиристора первой фазы. Далее процессы повторяются.

Для схемы с общим узлом коммутации различают две зоны изменения коэффициента заполнения % тиристорного регулятора. Зона работы без перекрытия, когда 0<СХ^0,5, характеризуется тем, что напряжение на фазных нагрузках появляется и становится равным нулю строго поочередно со сдвигом на 180° вследствие поочередного проводящего состояния главных тиристоров.

Вторая зона, когда 0,5<СЯ^1, характеризуется тем, что в кривых напряжения на нагрузке имеются интервалы времени, когда напряжение одновременно приложено к нагрузкам обеих фаз, благодаря одновременному проводящему состоянию главных тиристоров.

Осциллограммы на элементах схемы рис. 114, а приведены для двух режимов работы - без перекрытия (см. рис. 114, б) и с перекрытием (рис. 114, в).

Таким образом в схеме рис. 114, а происходит регулирование среднего напряжения на нагрузках от 0 до 11„. При этом каждый цикл перезаряда коммутирующего конденсатора является «полезным», так как при этом выключается один из главных тиристоров Т1 или 72. Отсутствие «холостого» подготовительного цикла перезаряда конденсатора уменьшает его реактивную мощность, а также расширяет диапазон регулирования напряжения на нагрузке. Последнее достигается тем, что снижается минимальное напряжение на нагрузке вследствие исключения подготовительного цикла перезаряда конденсатора, в течение которого к нагрузке подводилась энергия от источника питания.

Схема ТИР (см. рис. 114, а) может быть также дополнена разрядными (стабилизирующими) цепями и цепями дополнительного заряда конденсатора в зависимости от тока нагрузки.

Существуют и другие способы улучшения эксплуатационных свойств тиристорных прерывателей. В частности, известны схемы, в которых напряжение на нагрузке не превышает напряжения питания; позволяющие получить минимальный коэффициент заполнения близкий к нулю при высокой частоте регулирования; с меньшим числом полупроводниковых приборов, дающие возможность вести регулирование только изменением частоты включения тиристоров и т. д.