Быстродействующий тиристорный выключатель постоянного тока

Принудительная коммутация (выключение) тиристоров яв­ляется основой работы полупроводниковых аппаратов постоян­ного тока и средством повышения быстродействия при отклю­чении  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 рис. 8.1, б. Надо отметить, 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, которые можно рассмотреть на примере простой схемы выключателя постоян­ного тока (рис. 8.2). По характеру протекающих процессов она практически не отличается от уже рассмотренной схемы на рис.8.1, б. Однако замена механического контакта дополни­тельным тиристором VS2 позволяет существенно улучшить коммутационные характеристики аппарата и делает его более чувствительным к управлению.

Из рис. 8.2 видно, что вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS2 может быть включен либо от анодного напряже­ния (замыканием кнопки «Стоп»), либо напряжением, снимае­мым с измерительного резистора R_ш.  В последнем случае напряжение на резисторе должно превысить значение, рав­ное U = U_у + U_VD + U_ст, где            U_у – напряжение управления, доста­точное для надежного включения тиристора VS2;

U_VD – паде­ние напряжения на диоде VD2 и U_ст – 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_ст 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_у. Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами на рис. 8.3.

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.

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, уравнение разрядки кон­денсатора после включения тиристора VS2 запишем в виде

,

где U – напряжение источника питания; i – ток через последо­вательно соединенные R_н, С_к, VS2.

Со­отношение между емкостью конденсатора С_к и схемным вре­менем определяется следующим образом:

.

Учитывая, что взаимосвязь между сопротивлением R_н и то­ком в коммутируемой цепи I_k при напряжении источника U выражается формулой U=R_нI_k , последнее уравнение можно переписать так:

.

Надежное выключение тиристора VS1, обладающего време­нем выключения, равным t_q, будет при t_c ³ t_qk_q ,

где k_q = 1,5…2 – коэффициент, учитывающий измене-   ние 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

.

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 рис. 8.2 штриховой линией. Расчет C_k в этом случае основывается на допущении, что ток нагрузки в тече­ние всего интервала коммутации остается неизменным. Конден­сатор C_k при этом будет разряжаться с постоянной скоростью. Минимальная емкость конденсатора должна быть

.

Если аппарат предназначен для отключения аварийных токов, собственная индуктивность элементов контура является недостаточной для ограничения до значений, выдерживае­мых низкочастотными тиристорами. В этом случае необходимо последовательно с коммутирующим тиристором включать до­полнительно реактор индуктивностью L_k (на рис. 8.2 это соот­ветствует переведению переключателя S в положение 2). Пара­метры элементов контура коммутации при шунтировании сило­вого тиристора VS1 обратно включенным диодом определяются выражениями

,

.

Отметим 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 (рис. 8.2),  в течение которого конденса­тор C_k 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 необходимо уменьшать постоянную цепи зарядки t=R₁C_k. Так как емкость C_k 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 C_k) 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 требова­нию предыдущего пункта.

Поэтому, чтобы не снизить частоту коммутаций выключа­теля, зарядка конденсатора C_k осуществляется обычно с по­мощью дополнительной зарядной цепи с малой постоянной вре­мени t от автономного источника питания.

4) Важной задачей при создании выключателей с емкостной коммутацией тиристоров является ограничение перенапряже­ний, возникающих на конденсаторе C_k.

Для ограничения уровня перенапряжений до приемлемых значений необходимо использовать различные дополнительные меры, например, применение двухконтурных или двух-ступенчатых коммутирую­щих узлов, с помощью которых реализуется снижение скорости спада тока в процессе его отключения и существенное умень­шение перенапряжений.

Рассмотрим в качестве примера один из способов снижения коммутационных перенапряжений в полупроводниковых аппаратах постоянного тока.

Перенапряжения в процессе отключения аппарата обуслов­лены, в основном,   колеба-тельным характером перезарядки ком­мутирующего конденсатора. Уровень их зависит от параметров отключаемой цепи и динамических характеристик, используемых в сило-вой цепи СПП. Так как перенапряжения определяют тре­бования к изоляции защищаемого оборудования и изоляции са­мих аппаратов, влияют на габариты, стоимость и надежность работы систем электроснабжения в целом, необходимо стре­миться к их понижению.

В тиристорных аппаратах с емкостной коммутацией ограни­чение перенапряжений может быть достигнуто различными спо­собами. Наиболее простой из них заключается в подключении параллельно конденсатору на определенном этапе его переза­рядки линейного или нелинейного резистора. Сущность такого подхода заключается в демпфировании колебаний за счет уве­личения коэффициента их затухания. В выключателях постоян­ного тока использование линейных резисторов для шунтирования конденсаторов С_к связано с необходимостью введения в схему дополнительного коммутационного узла (обычно тиристорного), обеспечивающего прерывание тока в резисторе.

Один из возможных вариантов исполнения выключателей с двухступенчатой коммутацией тока представлен на рис. 8.4. Го­товность к отключению в схеме этого аппарата обеспечивается предварительной зарядкой конденсатора С_к от сети с указанной на рис. 8.4 полярностью. Для этого необходимо включить тиристоры VS2 и VS5, подав на них управляющие сигналы. Ток зарядки конден­сатора С_к протекает через элементы схемы LI, L2, R1, VS5, С_к, перемычку П, VS2, L3. По мере зарядки конденсатора ток в цепи тиристоров VS2, VS5 уменьшается и, когда он стано­вится меньше тока удержания, тиристоры самостоятельно вы­ключаются. При длительном номинальном режиме напряжение на конденсаторе С_к постепенно уменьшается из-за несовершен­ства собственной изоляции и вследствие утечки заряда через подключенные к конденсатору цепи с тиристорами. Для пред­отвращения значительного снижения напряжения система уп­равления должна обеспечивать периодическое включение тири­сторов VS2 и VS5. В результате на конденсаторе С_к будет ав­томатически поддерживаться постоянное напряжение, равное практически напряжению сети. Реакторы LI, L2, L3 в схеме необходимы для ограничения скорости нарастания тока при включении тиристоров и реализации колебательного режима переходных процессов.

При возникновении короткого замыкания и достижении то­ком значения уставки I_у системой управления включа­ются тиристоры VS3 и VS4. В результате выключается тиристор VS1. После изменения полярности напряжения на конденсаторе и повыше­ния его до заданного значения системой управления выда­ется сигнал на включение тиристора VS5. При этом парал­лельно конденсатору подключается резистор R1, способствую­щий ограничению дальнейшего повышения напряжения на конденсаторе.   Начиная с этого момента напряжение на кон­денсаторе уменьшается вместе с уменьшением коммутируемого тока. Разрядка конденсатора осуществляется через тиристор VS3, а после его выключения – через диод VD1.

Второй этап коммутационных процессов начинается непосредственно после выключения тиристора VS3 и снижения тока до значения, опре­деляемого общим сопротивлением внешней цепи и резистора R1. В этот момент времени системой управления включается тиристор VS2, и ток начинает протекать по цепи R1, VS5, С_к, П, VS2 и VD2.

В результате напряжение на кон­денсаторе вновь изменяет полярность. По достижении им амплитудного значения противоположной полярности  ток в нагрузке полностью преры­вается.

Так как полярность напряжения на конденсаторе после от­ключения соответствует исходному состоянию, выключатель го­тов к повторному срабатыванию. Причем в рассматриваемом случае, который соответствует индуктивному характеру на­грузки, напряжение на конденсаторе значительно превышает напряжение сети. При активной нагрузке напряжение на кон­денсаторе не достигает амплитудного значения, поэтому нет необходимо­сти включать тиристоры VS5 и VS2. В этом случае и после от­ключения тока остаточное напряжение на конденсаторе U_c<U. Для обеспечения готовности к работе конденсатор необходимо дозарядить.

К достоинствам принципиальных схем с двухступенчатой коммутацией тока следует отнести оптимальное использование конденсаторов, более высокие быстродействие и частоту вклю­чений. Однако это достигается значительным усложнением ком­мутирующего узла и системы управления, которая должна реа­гировать на многие параметры переходного процесса и обеспе­чивать определенную последовательность включения тиристоров.