Тиристорные коммутаторы переменного тока
Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преимущественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недостаток – трудность выключения – в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.
Схема однофазного тиристорного ключа приведена на рис. 8.7. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров.
Если на аноде тиристора Д1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании ключа К через диод ДЗ и резистор К пройдет импульс тока управления тиристором Д1. В результате тиристор Д1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор Д2. Пока ключ К будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.
Такие тиристорные ключи являются основой однофазных и трехфазных коммутирующих устройств.
В качестве примера рассмотрим тиристорный контактор переменного тока с управлением от анодного напряжения.
Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в силовой части могут выполнять различные функции. Так, тиристорный блок, выполненный по схеме на рис. 8.5, одинаково успешно может работать и в качестве контактора, и в качестве выключателя. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается расширение области применения аппаратов по току или напряжению. Существенно можно повлиять на работу схемы и с помощью системы управления, что будет показано на примере работы тиристорного контактора (рис. 8.8).
Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-параллельным соединением тиристоров VS1 и VS2. Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R1, R2, R3 и механического контакта S. Эта цепь подключена параллельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряжение на ее элементах, и в частности на резисторах R1 и R3, изменяется синхронно с анодным напряжением на тиристорах. А так как эти резисторы подключены параллельно управляющим цепям тиристоров, то напряжение одной полярности одновременно нарастает и на аноде тиристора, и на его управляющем электроде.
Если это напряжение является положительным, например, по отношению к тиристору VS1, и снимаемое с резистора R1 напряжение превышает значение отпирающего напряжения, тиристор VS1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тиристора VS2.
Диоды VD1 и VD2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.
Регулируемый резистор R2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения. Учитывая, что контакт S может быть замкнут в интервале полупериода в любой момент времени, в том числе и в момент достижения напряжением сети амплитудного значения Um, сопротивление резистора определяем из выражения
где RG – собственное сопротивление управляющей цепи тиристора.
Изменением сопротивления резистора R2 можно управлять током во входных цепях тиристоров и, следовательно, моментом включения их по отношению к началу полупериода напряжения (рис. 8.9). В результате контактор становится способным выполнять еще одну функцию – регулирование тока в нагрузке. Предельный угол задержки включения тиристоров amax, который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90°. Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи посредством изменения угла задержки включения тиристора a называют фазовым регулированием.
Зависимости изменения напряжения на активной нагрузке и тока в ней от угла a для рассматриваемой схемы определяются выражениями
Минимальный угол задержки включения тиристоров при активной нагрузке a » 2°. Это объясняется тем, что все тиристоры имеют порог чувствительности по управляющей цепи, и, кроме того, изменяющееся по синусоидальному закону анодное напряжение тоже должно превысить пороговое значение, по крайней мере, в два раза.
Эти факторы приводят к появлению бестоковых пауз в кривой тока нагрузки (tп на рис. 8.9). Из-за разброса характеристик управления тиристоров эти паузы могут быть неодинаковы по длительности, что приводит к появлению постоянной составляющей в токе нагрузки.
При необходимости углы задержки включения тиристоров выравнивают регулированием токов управления посредством изменения сопротивления подстроечных резисторов R1 и R3 (рис. 8.8).