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 Rш. В последнем случае напряжение на резисторе должно превысить значение, равное U = Uу + UVD + Uст, где Uу – напряжение управления, достаточное для надежного включения тиристора VS2;
UVD – падение напряжения на диоде VD2 и Uст – 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 Rш и подбором стабилитрона по параметру Uст 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 Rу. Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами на рис. 8.3.
Для надежного выключения тиристора VS1 необходимо, чтобы схемное время tс, показанное на графике изменения напряжения UVS1 = 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 tс, 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 Rн, Ск, VS2.
Соотношение между емкостью конденсатора Ск и схемным временем определяется следующим образом:
.
Учитывая, что взаимосвязь между сопротивлением Rн и током в коммутируемой цепи Ik при напряжении источника U выражается формулой U=RнIk , последнее уравнение можно переписать так:
.
Надежное выключение тиристора VS1, обладающего временем выключения, равным tq, будет при tc ³ tqkq ,
где kq = 1,5…2 – коэффициент, учитывающий измене- ние tq 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 Ck в этом случае основывается на допущении, что ток нагрузки в течение всего интервала коммутации остается неизменным. Конденсатор Ck 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 Lk (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 Iн=2U/Rн, что неблагоприятно сказывается на нагрузке, особенно при отключении аварийных токов.
2) Интервал времени t = t3 – t1 (рис. 8.2), в течение которого конденсатор Ck 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=R1Ck. Так как емкость Ck обусловлена схемным временем tс, 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 Ck) до значений I£Iн 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 Ck 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 Ck.
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 Ск 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 Ск 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 Ск протекает через элементы схемы LI, L2, R1, VS5, Ск, 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 Ск 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 Ск 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 Iу 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, Ск, 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 Uc<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.