Однофазные тиристорные ключи с фазовым управлением

Основные варианты силовых однофазных бесконтактных коммутирующих и регулирующих устройств (БКРУ) показаны на рис. 10.1. Включение управляемых вентилей осуществляется сигналом, синхронизированным с напряжением сети. Напряжение на нагрузке регулируется за счет изменения угла задержки (управле­ния) включения , регулируемого от момента прохождения через нуль тока нагрузки (от угла  нагрузки).

Схема рис. 10.1, а является наиболее распространенной и ба­зовой при построении трех­фазных схем БКРУ. Каждый из тиристоров работает поочередно на интервале одной полуволны, коммутируя соответствующую полуволну напряжения . Максимальные значения прямого и обратного напряжений на тиристоре рав­ны , где  –  дейст­вующее значение питающего напряжения. Среднее значение тока через тиристор равно , где  –  действующее значение тока нагрузки.

В ряде случаев вместо тиристоров для управления двига­телем может быть использован симистор (рис. 10.1, б). Однако при этом весь ток нагрузки протекает по вентилю и сред­ний ток симистора  равен:. Кроме того, у симисторов величи­на  в несколько раз ниже, чем у тиристоров, что затруд­няет их использование в реверсивных схемах.

Схема рис. 10.1, в аналогична схеме рис. 10.1, а. По тиристору протекает весь ток на­грузки и . Максимальное значение прямого напряжения на нем такое же, как в схеме рис. 10.1, а. Однако здесь тиристор практически защищен от действия об­ратного напряжения включением неуправляемых вентилей. Тиристор коммутирует обе полуволны напряжения , поэтому частота импульсов управления должна быть в два раза выше частоты питающей сети.

В схеме рис. 10.1, г используются дополнительные диоды, включенные встречно-парал­лельно тиристорам, в связи с чем обратное напряжение на тиристорах в процессе ра­боты близко к нулю. Это позволяет облегчить требования к выбору тиристоров по

на­пряжению, так как выбор будет проводиться только по максимальному значению прямого напряжения. Ток нагрузки соответствующего направления протекает в данной схеме через последовательно включенные тиристор и диод. Кривая обратного напряжения на диоде при регулировании имеет тот же вид, что и кривая обратного напряжения одно­именного тиристора в схеме рис. 10.1, а.

Рассмотрим особенности работы БКРУ на обмотку маши­ны переменного тока. Очень часто для приближенных расче­тов тиристоры представляются идеальными вентилями, а машина переменного тока – в виде активно-индуктивной нагрузки. При этом не учи­тывается изменение параметров машины при регулировании ее скорости и ЭДС взаи­моин­дукции между различными фазами статора и ротора. Однако такой подход значи­тельно упрощает исследования, позволяет получить универсальные расчетные соотно­шения, а также легко произвести качественный анализ различных схем.

Сначала рассмотрим процессы, возникающие при работе одного тиристора VS1 на фазу двигателя переменного тока, представляющую последовательное соединение активного со­противления фазы  и индуктивности Lн (рис. 10.2, а). В мо­мент подачи отпираю­щих импульсов αот (рис. 10.2, б, в) через тиристор нарастает ток нагрузки  до максималь­ного значе­ния iмакс, после чего он поддерживается за счет энергии, накоплен­ной в индуктивности . Закрытие тиристора происхо­дит при угле . Длительность протекания тока через тиристор ха
рактеризуется углом проводимости

.

Для удобства расчета иногда целесообразно использовать дополнительный угол проводи­мости:

.

Форма тока в нагрузке находится из решения дифференциаль­ного уравнения, составленного для активно-индуктивной цепи переменного тока.

При включении вентиля VS1 (рис. 10.2, а) ток нагрузки в общем случае содержит принужденную (периодическую) и свободную (апериодическую) составляющие. При  свободная составляющая отсутствует и  (рис. 10.2, б), фазовый угол нагрузки  определяется из соотношения:

.

Как указывалось, наиболее часто применяется схема с встречно-параллельным включе­нием тиристоров (см. рис. 10.1, а). Особенностью такого включения по сравнению со схе­мой рис. 10.2, а является зависимость от фазового угла нагрузки () не только угла закры­тия (), но и угла открытия (). При включении активной нагрузки () на напряжение  угол проводимости вентиля . Ток через

нагрузку является пре­рывистым (рис. 10.3, а). Диапазон изме­нения . При  ток становится непрерывным синусоидальным.

При активно-индуктивной нагрузке и  (рис. 10.3, б) длительность протекания тока , и он является преры­вистым. Тиристор вступает в работу, когда предыдущий ти­ристор уже закрыт. Когда  (рис. 10.3, в), для каждого ти­ристора , и последую­щий тиристор вступает в работу как раз в тот момент, когда закрывается предыдущий. Сво­бодная составляющая тока отсутствует, и по нагрузке проте­кает непрерывный сину­соидальный ток . Если , от­крытие тиристора невозможно, так как при этом встречный тиристор проводит ток и создает обратное напряжение на включаемом ти­ристоре. Поэтому максимальный диапазон из­менения . При чисто индуктив­ной нагрузке этот диапазон равен .

Из рис. 10.3, а видно, что даже при активной нагрузке пер­вая гармоника тока  при регу­лировании  отстает от на­пряжения сети на угол  Следовательно, тиристорное устройство из встречно-параллельных тиристоров по отноше­нию к сети ведет себя как нелинейное реактивное (индуктивное) сопротивление, что приводит к снижению коэф­фи­циента мощности сети. Коэффициент мощности повышают при , а ток и напря­жение в нагрузке регулируют, изме­няя угол запирания тиристоров. Такой способ регулирования осуществляют, применяя полностью управляемые силовые элементы или принудительную коммутацию тиристоров.

При  значения тока и напряжения равны в раз­личные полупериоды сетевого напряжения. Такой способ управления называется симметричным. При несимметрич­ном управлении . Напряжение и ток нагрузки помимо нечетных содержат четные гармоники и постоянную состав­ляющую, направление которой определяется знаком разности указанных углов открытия. Для машин переменного тока этот режим раб