5.1.1 Тиристорные контакторы постоянного тока

Для включения и отключения 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 могут 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 коммутаторов постоянного тока являются 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 гарантийного питания. Для этой цели могут быть использованы комбинированные схемы контактора, состоящего из тиристора и электромагнитного контактора обычного типа, изображенного на рисунке 5.1.1.

Рис. 5.1.1 Комбинированные (гибридные) контакторы постоянного тока параллельного типа

Рис. 5.1.2 Комбинированные (гибридные) контакторы постоянного тока последовательного типа

Рис. 5.1.3 Комбинированные (гибридные) контакторы постоянного тока параллельно-последовательного типа

Необходимость введения электромагнитного контактора в этих схемах обусловлена тем, что необходимо обеспечить выключение тиристора. В схеме на рис. 5.1.2 выключение тиристора (транзистора) обеспечивается шунтированием его замыкающим контактом , а в схеме на рис. 5.1.3 размыканием размыкающего контакта.

Включение комбинированного контактора осуществляется подачей управляющего импульса на тиристор . Следовательно, время включения комбинированного контактора, с момента поступления команды, будет определяться временем включения тиристора, а время выключения – временем включения электромагнитного контактора.

У большинства типов тиристорных контакторов постоянного тока предусматривается искусственная коммутация тиристоров, для реализации которой разработано много различных схем, которые рассматриваются в отдельном курсе. При классификации схем тиристорных контакторов по способу коммутации тиристоров, обычно выделяют такой признак, как связь включения и выключения основного тиристора контактора общим электромагнитным процессом в коммутирующем контуре. В этом смысле различают контакторы однооперационные (или с одноступенчатой коммутацией), двухоперационные и трехоперационные (или с двухступенчатой коммутацией). Эти же способы лежат и основе схем, обеспечивающих искусственную коммутацию тиристоров в статических контакторах.

В однооперационных контакторах включение и выключение основного тиристора неразрывно связаны общим электромагнитным процессом в коммутируемом контуре. 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 в 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 контакторов в таких схемах можно рассматривать как вторую, независимую рабочую операцию, которая осуществляется подачей управляющего импульса на коммутирующий тиристор. Поэтому схемы подобного типа называются двухоперационными. Если подготовка коммутирующего контура к выключению основного тиристора связана с дополнительной операцией, например с перезарядом коммутирующей цепи посредством включения тиристора перезаряда (т.е. введением третьей опереации – подачей управляющего импульса на тиристор перезаряда), то такие схемы принято называть трехоперационными. Теоретически работа контактора может быть связана 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 (емкостной или индуктивно – емкостной), способ включения коммутирующей цепи (параллельно основному тиристору или нагрузке и др.), наличие трансформатора, разделяющего цепи основного тиристора и коммутирующие, количество цепей содержащих основные тиристоры (с одной цепью – однофазные, с двумя – 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 электроцепей. На рис.5.1.4 представлена схема простейшего контактора подобного типа с конденсаторной коммутацией, осуществляется подключением коммутирующего конденсатора параллельно основному тиристору.

Рис. 5.1.4 Тиристорный контактор с коммутацией напряжением заряженного конденсатора

Рис. 5.1.5 Тиристорный контактор с дополнительным контуром заряда коммутирующего конденсатора

Рис. 5.1.6. Диаграмма токов и напряжений на элементах схемы с дополнительным контуром

В данной схеме нагрузка предполагается активно-индуктивной. Поэтому в схеме для протекания тока, обусловленного энергией накопленной в индуктивной составляющей нагрузки на интервале выключенного состояния контактора, предусмотрен обратно включенный диод .

Предположим, что конденсатор заряжен с полярностью напряжения указанной на рис. 5.1.5. При подаче в момент времениуправляемого импульса на тиристорон включается, и на нагрузку подается входное напряжение. Одновременно начинается колебательный процесс перезаряда конденсатора по контуру–––. Процесс перезаряда заканчивается в момент, когда ток конденсатора достигает нулевого значения. Диодблокирует дальнейшее протекание процесса перезаряда и в результате на конденсаторе будет напряжение с полярностью, противоположной указанной на рис. 5.1.5. Таким образом, коммутирующий конденсатор оказывается подготовленным к выключению основного тиристора.

Для выключения основного тиристора на коммутирующий тиристор в момент времениподается управляющий импульс. Включение тиристораприводит к выключению тиристора, т.к. к нему оказывается подключенным заряженный конденсатор, разрядный ток которого направлен противоположно току нагрузки, протекающего через тиристор. После выключения тиристораток начинает протекать через тиристори конденсатор, перезаряжая его. До тех пор пока напряжение на конденсаторе не изменит свой знак (момент) к основному тиристору будет приложено обратное напряжение, и он имеет возможность выключится.

Процессы, протекающие на интервале перезаряда конденсатора более скоротечны, чем процессы в нагрузке. Можно считать, что ток за это время существенно не изменится, поэтому процесс изменения напряжения на конденсаторев процессе перезаряде происходит практически по линейному закону.

В момент времени напряжение на конденсаторедостигает значения равноеи процесс перезаряда прекращается. Это объясняется тем, что при дальнейшем повышении напряжения происходит включение обратного диода, к которому приложена разность напряженийи конденсатора. В результатеначинает протекать через диод.

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

,

где – максимальное значение тока нагрузки в момент выключения тиристора,– время выключения тиристора.

Основными недостатками рассмотренной схемы является увеличение длительности коммутационного процесса при выключении в режимах малых нагрузок. Это обусловлено тем, что длительность перезаряда увеличивается с уменьшением тока перезаряда, т.е. .

Другим недостатком является дополнительная загрузка основного транзистора по току в период подготовки к коммутации, когда происходит его перезаряд, вызванный включением тиристора. Кроме того, в момент выключения тиристорана нагрузке возникает всплеск напряжения приблизительно двух кратной величины относительно значения.

Зависимость длительности коммутационного процесса от тока нагрузки можно существенно уменьшить, если в схему ввести дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора, состоящий из диода и реактора(рис. 5.1.5). Наличие дополнительного контура приводит к тому, что в момент включения коммутирующего тиристораконденсаторбудет перезаряжаться не только током нагрузки, но и током в колебательном контуре–––, при этом длительность перезаряда конденсатора не может быть больше 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. 5.1.7 приведена схема, свободная от этого недостатка.

Рис.5.1.7. Тиристорный контактор с коммутирующим LC-контуром: а) принципиальная схема; б) диаграммы токов и напряжений на элементах схемы.

Чтобы подготовить схему к работе необходимо зарядить конденсатор . Для этого подаётся управляющий импульс на тиристор, через который и цепь нагрузки конденсатор заряжается с полярностью, указанной на рисунке.

Включение контактора осуществляется подачей в момент времени управляющего импульса на основной тиристор. Одновременно начинается перезаряд конденсаторапо контуру–––. Когда полуволна перезарядного токаспадёт до нуля (момент времени) диодвыключится и конденсатороказывается перезаряженным с полярностью, противоположной указанной на рисунке, то есть подготовленным для коммутации тиристора.

Для выключения тиристора в момент времениподаётся управляющий импульс на тиристор. При включении тиристора VSк начинается колебательный процесс в контуре–––, при это через тиристорбудет протекать разность токов нагрузкии разрядного контура. Когда эти токи станут равными (момент времени) тиристорвыключится. Далеепродолжает возрастать и через диодбудет проходить разность токови. Пока диодпроводит ток к тиристорубудет приложено обратно напряжение, равное прямому напряжению на диоде. На этом интервале времени тиристорвыключается. Когда токснова станет меньше тока нагрузки (момент времени) диодвыключится.

Далее происходит дозаряд конденсатора током нагрузкипо цепи–––до значения входного напряжения. После этого включается диод, шунтирующий цепь нагрузки (момент времени).

Если источник входного напряжения имеет однонаправленную проводимость (например, выпрямитель), то разряд конденсатора в обратном направлении становится невозможным и процесс изменения напряжения на конденсаторе заканчивается.

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 . Кроме того, нарастание и снижение тока в полупроводниковых элементах происходит плавно (за исключением нарастания прямого тока тиристора), что улучшает условия их работы в схеме и уменьшает возможность выхода из строя.