ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для включения и отключения (коммутации) цепей по­стоянного тока, так же как и цепей переменного тока, разработано много различных типов полупроводниковых аппаратов, называемых обычно статическими контакторами или переключателями. Поскольку основным элементом таких контакторов, предназначенных для коммутации силовых цепей, является тиристор, то они обычно называются тиристорными контакторами или прерывателями. Одной из особенностей тиристор­ных контакторов постоянного тока является то, что боль­шинство из них может широко использоваться для преоб­разования и регулирования напряжения и тока в качестве основного узла импульсных регуляторов-стабилизаторов, ра­ботающих на значительно более высоких частотах переключе­ния, чем тиристорные регуляторы-стабилизаторы в цепях переменного тока. В этой связи быстродействие тиристорных контакторов постоянного тока является важнейшим фактором, определяющим в значительной мере области их применения.

Однако в некоторых случаях основным требованием к тиристорному контактору является обеспечение минимального времени его вступления в работу, например, в некоторых типах установок гарантированного питания. Для этой цели могут быть использованы комбинированные схемы контактора, состоящего из тиристора и электромагнитного контактора обычного типа, изображенные на рис. 3. Необходимость введения электромагнитного контактора в этих схемах обус­ловлена тем, что необходимо обеспечить выключение тири­стора. В схеме на рис. рис. 3 а, выключение тиристора обеспечивается шунтированием его замыкающим контактом К, а в схеме на рис. рис. 3 б — размыканием размыкающего кон­такта К. Включение комбинированного контактора осуществ­ляется подачей управляющего импульса на тиристор VS. Следовательно, время включения комбинированного контактора с момента поступления команды будет определяться временем включения тиристора (т. е. при определенных типах тиристоров измеряться несколькими микросекундами), а время выключения — временем включения (рис. 3 а) или временем выключения (рис. 3 б) электромагнитного контактора (обыч­но несколько сотых долей секунды).

У большинства типов тиристорных контакторов постоян­ного тока предусматривается искусственная коммутация ти­ристоров, для реализации которой разработано много раз­личных схем. При классификации схем тиристорных контакторов по способу коммутации тиристоров обычно выделяют такой признак, как связь включения и выключения основного ти­ристора контактора общим электромагнитным процессом и коммутирующем контуре. В этом смысле различают контакторы однооперационные (или с одноступенчатой коммутаци­ей), двухоперационные и трехоперационные (или с двухступен­чатой коммутацией).

В однооперационных контакторах включение и выключение основного тиристора неразрывно связаны общим электромагнитным процессом в коммутирующем контуре (или цепи нагрузки, если она имеет колебательный характер). В контакто­рах этого типа подача управляющего импульса на основной тиристор вызывает его включение, а выключение происходит вследствие колебательного характера тока, протекающего через тиристор. Следовательно, включение и выключение тиристора и таких схемах происходят в течение одной ступени работы контактора, и управлять моментом выключения тиристора независимо от момента его включения нельзя.

В контакторах с двухступенчатой коммутацией выключение основного тиристора можно производить практически незави­симо от момента его включения. В таких схемах выключение основного тиристора производится посредством подключения коммутирующей цепи к основному тиристору через вспомо­гательный (коммутирующий) тиристор. Поэтому выключение контактора в таких схемах можно рассматривать как вторую независимую рабочую операцию, которая осуществляется пода­чей управляющего импульса на коммутирующий тиристор. Потому схемы подобного типа называются двухоперационными. Если подготовка коммутационного контура к выключе­нию основного тиристора связана с дополнительной операцией, например перезарядом коммутирующей цепи посредством включения тиристора перезаряда (т. е. введением третьей операции — подачи управляющего импульса на тиристор пе­резаряда), то такие схемы принято называть трехоперационными. Теоретически работа контактора может быть связана и с еще большим количеством операций подобного типа, но такие схемы не получили практического применения.

Иногда при классификации схем тиристорных контакторов Используются и другие, менее существенные признаки, например элементный состав коммутирующей цепи (емкостный или индуктивно-емкостный), способ включения коммутирующей цепи (параллельно основному тиристору или нагрузке и др.), наличие трансформатора, разделяющего цепи основного тиристора и коммутирующую, количество цепей, содержащих основные тиристоры (с одной цепью — однофазные, с двумя цепями — двухфазные и т. д.)

Наибольшее распространение получили схемы тиристорных контакторов с двухступенчатой коммутацией, которые можно рассматривать как аналоги полностью управляемых ключевых элементов, используемых для коммутации электрических цепей. Поэтому в дальнейшем рассмотрим только схемы с двухступенчатой коммутацией основного тиристора, процесс выключения которого можно отделить от процесса его включе­ния.

На рис. 4 а, представлена схема простейшего контактора подобного типа с конденсаторной коммутацией, осуществля­емой подключением коммутирующего конденсатора С_K параллельно основному тиристору VS. В данной схеме (так же, как и в последующих) нагрузка предполагается активно-индуктивной (например, обмотка возбуждения двигателя). Поэтому в схеме для протекания тока, обусловленного энергией, накопленной в индуктивной составляющей нагрузки на интервале включенного состояния контактора, предусмотрен обратный диод VD.

Предположим, что конденсатор C_К заряжен с полярностью напряжения, указанной на рис. 4 а. При подаче в момент времени t₀ управляющего импульса на тиристор VS он включается и на нагрузку подается входное напряжение U_ВХ. Одновременно начинается колебательный процесс перезаряда конденсатора С_K по контуру С_K— VS— VD—L. Процесс перезаряда заканчивается в момент t₁, когда ток конденсатора достигает нулевого значения. Диод VD₁ блокирует дальнейшее протекание процесса перезаряда, и в результате на конденсаторе будет напряжение с полярностью, противоположной указанной на рис. 4. Таким образом, коммутирующий конденсатор оказывается подготовленным к выключению основного тири­стора VS.

Для выключения основного тиристора VS на коммутиру­ющий тиристор VS_К в момент времени t₂ подается управля­ющий импульс. Включение тиристора VS_K приводит к выключе­нию тиристора VS, так как к нему оказывается подключенным заряженный конденсатор С_K, разрядный ток которого направлен навстречу току нагрузки i_Н, протекающему через тиристор VS. После выключения тиристора VS ток нагрузки i_Н начнет протекать через тиристор VS_K и конденсатор С_K, перезаряжая его. До тех пор пока напряжение на конденсаторе не изменит свой знак (момент t₃), к основному тиристору будет приложено обратное напряжение и он имеет возможность выключиться.

Процессы, протекающие на интервале перезаряда конден­сатора, более скоротечны, чем процессы в нагрузке. Можно считать, что ток нагрузки i_Н за это время существенно не изменится. Поэтому процесс изменения напряжения на кон­денсаторе С_K, в процессе перезаряда происходит практически но линейному закону.

В момент времени t₄ напряжение на конденсаторе С_K до­стигает значения, равного U_ВХ и процесс перезаряда прекраща­ется. Это объясняется тем, что при дальнейшем повышении напряжения происходит включение обратного диода VD, к ко­торому приложена разность напряжений входного U_ВХ и кон­денсатора U_с. В результате ток нагрузки i_Н начинает протекать через открытый диод VD (ток, обусловленный накоплением энергии в индуктивности составляющей нагрузки Z_H).

Емкость коммутирующего конденсатора С_K в данной схеме определяется коммутируемым током нагрузки и входным напряжением U_ВХ. Учитывая, что процесс перезаряд конден­сатора С_K на интервале выключения тиристора VS происходит по линейному закону, можно определить емкость конденсатора С_K, по формуле:

Где I_Hmax- максимальное значение тока нагрузки в момент выключения тиристора VS; t_q — время выключения тиристора VS.

Основным недостатком рассмотренной схемы является уве­личение длительности коммутационного процесса при выключении в режимах малых нагрузок. Это обусловливается тем, что длительность перезаряда коммутирующей емкости С_K увеличивается с уменьшением тока перезаряда, т. е. тока нагрузки. Другим недостатком является дополнительная загрузка ос­новного тиристора VS по току в период подготовки конден­сатора С_K к коммутации, когда происходит его перезаряд, вызванный включением тиристора VS_K. Кроме того, в момент выключения тиристора VS на нагрузке возникает всплеск напряжения приблизительно двукратной величины относитель­но значения входного напряжения U_ВХ (рис. 4 б).

Зависимость длительности коммутационного процесса от тока нагрузки можно существенно уменьшить, если в схему ввести дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора, состоящий из диода VD₂ и реактора L₂ (рис. 4 в). Наличие дополнительного контура приводит к тому, что в момент включения коммутирующего тиристора VS_K конденсатор С_K будет перезаряжаться не только током нагрузки i_H, но и током в колебательном контуре С_K — VS_K — VD₂ — L₂. При этом длительность перезаряда конденсатора не может быть меньше половины периода коле­бательного процесса в этом контуре при любых токах нагрузки, включая холостой ход.

Всплески напряжения на нагрузке не всегда могут быть допустимы. На рис. 5 а, представлена схема, свободная от этого недостатка. Чтобы подготовить схему к работе, необходимо зарядить конденсатор С_K. Для этого подается управляющий импульс на тиристор VS_K, через который и цепь нагрузки конденсатор заряжается с полярностью, указанной на рис. 5 а. Включение контактора осуществляется подачей в момент времени t₀ (рис. 5 б) управляющего импульса на основной тиристор VS. Одновременно начинается перезаряд конденсатора С_K по контуру С_K —L_К—VD₂—VS. Когда полуволна перезарядного тока i_K спадает до нуля (момент времени t₁), диод VD₂ выключается и конденсатор С_K, оказывается заряженным с полярностью, противоположной укачанной на рис. 5 а, т. е. подготовленным для коммутации тиристора VS.

Для выключения тиристора VS в момент времени t₂ подается управляющий импульс на тиристор VS_K. При включении тиристора VS_K начинается колебательный процесс в контуре С_K-VS- VS_K—L_K. При этом через тиристор VS будет протекать разность токов нагрузки i_Н и разрядного тока контура i_K. Когда эти токи станут равными (момент времени t₃), тиристор VS выключится. Далее i_K продолжает возрастать, и через диод VD₁ будет проходить разность токов i_K и i_Н. Пока диод VD₁ проводит ток, к тиристору VS будет приложено обратное напряжение, равное прямому напряжению на диоде VD₁. На этом интервале времени тиристор VS выключается. Когда ток i_K снова станет меньше тока нагрузки i_Н (момент времени t₁), диод VD₁ выключится. Далее происходит дозаряд конденсатора С_К током нагрузки i_Н по цепи VS_К—L_К—C_K — Z_Н до значения входного напряжения U_ВХ. После этого включается диод VD, шунтиру­ющий цепь нагрузки (момент времени t₅). Так как в момент времени t₅ ток i_K отличен от нуля, то энергия, запасенная в индуктивности L_K, расходуется на дальнейший рост напряже­ния на конденсаторе С_К, до значения, большего напряжения U_ВX. После спадания тока в индуктивности L_K до нуля включается диод VD₂ (момент времени t₆) и конденсатор C_K разряжается до напряжения несколько меньшего, чем входное напряжение U_ВX (момент времени t₇). Значения напряжений на конденсаторе C_K, в различные моменты процесса коммутации равны:

в момент времени t₆:

в момент времени t7 :

Если источник входного напряжения имеет однонаправленную проводимость (например, выпрямитель), то разряд кон­денсатора C_K, в обратном направлении становится невозможным и процесс изменения напряжения на конденсаторе заканчивается в момент времени t₆, когда ток индуктивности L_K становится равным нулю.

Положительными свойствами рассмотренной схемы является отсутствие перенапряжений не только в цепи нагрузки, но и на тиристорах, к которым прикладывается только прямое напряжение, практически не превышающее входное напряжение U_ВХ. Кроме того, нарастание и снижение токов в полупроводниковых элементах происходят плавно (за исключением на­растания прямого тока тиристора VS), что улучшает условия их работы в схеме и уменьшает возможность выхода из строя.