ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ И РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Контактная система с тиристорным блоком бездугового отключения.

Тиристоры Т1 и Т2 включены параллельно контактам. При разомк­нутых контактах К ток в цепи отсутствует, так как на тиристоры не поступает управляющий сигнал и они закрыты. При замыкании кон­тактов и возникновения тока в цепи трансформаторы тока ТТ1 и ТТ2 через диоды Д1 и Д2 подают соответственно полярности полуволны проходящего по цепи тока, отпи­рающие сигналы на управляющие электроды тиристоров. Однако, ток через тиристоры не про­текает, так как они зашунтированы контактами К. В момент размыкания кон­тактов ток перехо­дит в цепь того из тиристоров, направление кото­рого соответствует полярности тока. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре мало и дуга на контактах К не возникает (1,5-2Вна одном тиристоре). При переход тока через нуль проводя­щий тиристор запирается, а второй не откроется ввиду отсутствия сигнала. Ток в цепи прекратится. Так как тиристоры обтекаются то­ком только в течение полу­периода, то они могут выбираться на ма­лые номинальные токи с большими перегрузками. Габа­риты тиристор­ного блока бездуговой коммутации оказываются малыми.

Тиристор в цепи переменного тока

При включении тиристора в цепь переменного тока возможно осуществление следующих операций:

· включение и отключение электрической цепи с активной и активно-реактивной нагрузкой;

· изменение среднего и действующего значений тока через нагрузку за счёт того, что имеется возможность регулировать момент подачи сигнала управления.

Так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении, то для использования тиристоров на переменном токе применяется их встречно-параллельное включение (рис. 16,а).

Рис. 16. Встречно-параллельное включение тиристоров (а) и форма тока при активной нагрузке (б).

 

Среднее и действующее значения тока варьируются за счёт изменения момента подачи на тиристоры VS1 иVS2 открывающих сигналов, т.е. за счёт изменения угла и (рис. 16,б). Значения этого угла для тиристоров VS1 иVS2 при регулировании изменяется одновременно при помощи системы управления.

Угол называется углом управления или углом отпираниятиристора.

Наиболее широкое применение в силовых электронных аппаратах получили фазовое (рис. 17,а, б) и широтно-импульсное управление тиристорами (рис. 17, в).

Рис. 17. Вид напряжения на нагрузке при:

а) –фазовом управлении тиристором;

б) – фазовом управлении тиристором с принудительной коммутацией;

в) –широтно-импульсном управлении тиристором.

 

При фазовом методе управления тиристором с принудительной коммутацией регулирование тока нагрузки возможно как за счёт изменения угла , так и угла . Искусственная коммутация ( ) осуществляется с помощью специальных узлов или при использовании полностью управляемых (запираемых) тиристоров.

При широтно-импульсном управлении (широтно-импульсной модуляции – ШИМ) в течение времени Т_откр на тиристоры подан управляющий сигнал, они открыты и к нагрузке приложено напряжение U_н . В течение времени Т_закр управляющий сигнал отсутствует и тиристоры находятся в непроводящем состоянии. Действующее значение тока в нагрузке

 

Где

I_н.м.– ток нагрузки при Т_закр = 0.

 

Кривая тока в нагрузке при фазовом управлении тиристорами несинусоидальна, что вызывает искажение формы напряжения питающей сети и нарушения в работе потребителей, чувствительных к высокочастотным помехам – возникает так называемая электромагнитная несовместимость.

 

 

Существуют принципиальные различия между электронными аппаратами постоянного и перемен­ного тока:

- во-первых, количество регулируемых параметров в цепях переменного тока больше, чем в цепях постоянного тока. Например, на перемен­ном токе возможно регулирование частоты и фазы тока и напряжения;

- во-вторых, на переменном токе более явно различаются понятия мгновенного, среднего и действующего значений, учитывающих форму напряжения или тока.

На переменном токе широко используются обычные, не полностью управляемые тиристоры

с естественной коммутацией. Поэтому среди аппа­ратов переменного тока можно выделить широкий класс тиристорных аппаратов с естественной ком­мутацией, которая на постоянном токе принципи­ально невозможна.

Повышение частот преобразования электро­энергии открыло новые возможности для примене­ния электромагнитных управляемых компонентов – магнитных усилителей, которые могут работать в качестве исполнительных органов различных видов электротехнических устройств как в непре­рывном, так и импульсном режимах.

ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ И РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Поскольку обычный тиристор является силовым полупроводниковым элементом с неполной управ­ляемостью, для его выключения необходимо обес­печить спадание прямого тока до нуля и требуемое время выключения, после чего тиристор способен блокировать прямое напряжение.

В этой связи раз­личают два основных способа коммутации обыч­ных тиристоров – естественную и искусственную (принудительную). Соответственно существуют два класса тиристорных прерывателей или контакторов переменного тока - с естественной коммутацией (ТКЕ – тиристорный контактор с естественной коммутацией) и искусственной (ТКИ).

Прерыватели первого класса реализуются срав­нительно просто, так как не содержат устройств, обеспечивающих принудительное выключение ти­ристоров. На рис. 1,а представлена однофазная схема ТКЕ, выполненная на основе встречно-па­раллельных тиристоров (или одного симистора).

Рис. 1. Тиристорный регулятор переменного тока на встреч­но-параллельных тиристорах: а – силовая схема; б – структурная схема системы управления

 Импульсы управления должны поступать на тирис­торы синхронно с сетевым напряжением. На рис. 1,б показана упрощенная структурная схема сис­темы управления СУ тиристорами прерывателя, которая включает в себя формирователи импульсов ФИ1, ФИ2 и входное устройство ВУ, обеспечиваю­щее синхронизацию импульсов с сетевым напряже­нием. При работе прерывателя в режиме контакто­ра, каждый из тиристоров находится в проводящем состоянии полпериода Т/2, определяемого часто­той напряжения. При выключении одного тиристора происходит включение другого, для чего к этому моменту на его управляющий электрод должен быть подан отпирающий импульс.

При работе на активную нагрузку форма тока совпадает с напряжением и угол сдвига между напряжением и током φ равен нулю. В общем случае угол φ не равен нулю при активно-индук­тивной нагрузке φ > 0 и изменяется в зависимости от нагрузки. В результате изменяется также и мо­мент прохождения тока через нуль, определяющий выключение проводящего ток нагрузки тиристора и включение встречного тиристора. Система управ­ления должна отслеживать изменение угла φ или функционировать с импульсами управления, син­хронизированными с сетевым напряжением, но имеющих длительность t_и > φ, чтобы обеспечить безразрывность тока нагрузки. Однако увеличение длительности импульса управления t_и приводит к увеличению потерь мощности в цепях управления тиристорами, что необходимо учитывать при проек­тировании прерывателя.

Рис. 2. Тиристорный регулятор переменного тока на одном тиристоре

Тиристорный прерыватель может быть выпол­нен на одном тиристоре (рис. 2). Однако увели-

чение числа диодов в схеме повышает потери мощ­ности в прерывателе, что особенно заметно начи­нает проявляться в сильноточных ТКЕ. Тиристорные прерыватели могут иметь трехфазное исполне­ние, например, по схеме, изображенной на рис. 3.

Рис. 3. Трехфазный тиристорный регулятор переменного тока

Очевидно, последовательность импульсов уп­равления должна в такой схеме соответствовать трехфазной системе напряжений, т. е. следовать со сдвигом по фазе на 120° между импульсами управления ти­ристоров соответствующих фаз.

При задержке поступления импульса на очеред­ной тиристор на угол управления α становится возможным изменять действующее значение на­пряжения на нагрузке. В этом случае прерыватель может использоваться в качестве регулятора напря­жения или тока. При активной нагрузке диаграммы напряжения на нагрузке и тока в нагрузке не сдви­нуты относительно друг друга (φ = 0). Очевидно, что с увеличением угла α напряжение на нагрузке уменьшается, что позволяет реализовать принцип фазового регулирования напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Диаграммы тока и напряжения тиристорного регулятора переменного тока

Регулировочная характеристика прерывателя за­висит не только от угла α, но и от характера нагрузки. На рис. 5 представлена зависимость дей­ствующего значения тока в относительных единицах

I_н /I_н.б для активной нагрузки от значения угла а, включен­ной через тиристорный регулятор с фазовым регули­рованием, где I_н.б – ток нагрузки при α = 0. Следует отметить, что при регулировании форма выходного напряжения изменяется и становится отличной от синусоидальной. Это приводит к существенному росту коэффициента искажений выходного тока и, соответственно, напряжения.

Рис.5. Регулировочная характеристика тиристорного регуля­тора переменного тока

При активно-индуктивной нагрузке (φ ≠ 0) ре­гулирование с симметричной работой тиристоров одной фазы становится возможным только при условии α > φ. В противном случае при включении тиристора в момент α < φ переходный процесс из­менения тока в активно-индуктивной нагрузке будет превышать половину периода. В результате при узких импульсах управления встречный тирис­тор не сможет включиться, так как будет шунтиро­ван другим тиристором, проводящим ток, или вклю­чится в момент, не соответствующий углу управле­ния α, при котором был включен первый тиристор. Таким образом, возникнет несимметричный режим работы тиристоров, что приведет к дополнитель­ным искажениям тока нагрузки, появлению посто­янной составляющей, неравномерной загрузке ти­ристоров и другим нежелательным последствиям. Поэтому алгоритм формирования импульсов систе­мой управления регулятора должен учитывать выпол­нение соотношения α ≥ φ во всех режимах, включая пусковой. Очевидно, что значение угла φ будет влиять на регулировочные характеристики при выполнении условия α ≥ φ. Рассмотрим более подробно случай чисто индуктивной нагрузки, когда R = 0 и cos φ = 0. Такие схемы используются в регуляторах реактивной мощности для компенсации избытка мощности ем­костного характера, которая может возникать в раз­личных устройствах: инверторах тока, фильтроком-пенсирующих устройствах и др. [Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992].

Схема и диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора с индуктивностью L ₀ , представлены на рис. 6. Допустим, на вход компенсирующего устройст­ва подается синусоидальное напряжение, потери энергии в схеме равны нулю, тиристоры идеальные. В момент определяемый углом управления α, нахо­дящимся в интервале от π/2 до π, на тиристор VS 1 подается импульс управления. Тиристор включится и через индуктивность L₀ начнет протекать ток.

Рис.6. Компенсатор реактивной мощности: а – силовая схема; б – диаграммы работы

Этот ток можно представить в виде суммы двух составля­ющих - свободной i_св(θ) и установившейся i_у(θ):

i_L0 (θ) = i _св(θ) + i _у(θ) .            (1)

Установившаяся составляющая

i _у(θ) = (U_m / ωL ₀ ) cosθ ,               (2)

где L ₀ – индуктивность реактора; U_m – амплитуда приложенного напряжения.

Свободную составляющую можно определить из закона коммутации тока в индуктивных цепях, согласно которому ток в момент коммутации в ин­дуктивности скачком не изменяется, т. е.

i_{L 0} (α) = i_св(α) + i_у( α ) = 0,           (3)

где α – угол включения тиристоров.

Из (2) и (3) следует

i _св(α) = (U_m / ωL ₀ ) cos α .             (4)

Так как свободная составляющая из-за отсутст­вия потерь в схеме не затухает, то i_св(θ) = i_св(α).

Из (1), (2) и (4) получим:

i_{L 0} (θ) = (U_m / ωL ₀ ) (cosα - cosθ) .       (5)

Диаграммы изменений тока и напряжения пред­ставлены на рис. 6,б. В момент (2π - α) ток i_L становится равным нулю и тиристор VS 1 выключается. Затем в момент времени (π + α) подается импульс управления на тиристор VS 2 и ток в реакторе начи­нает протекать в противоположном направлении.

Ток в реакторе при периодическом следовании импульсов управления имеет периодический харак­тер и его можно разложить в гармонический ряд. Действующее значение первой гармоники тока

I_L01 = (1,41/π) I_max (α - π + π sin2α) ,    (6)

где I_max = U_max /(ωL ₀ ).

Для упрощения вычислений вводится угол управ­ления β = π - α (рис.6.), при этом угол β изме­няется в пределах 0 - π /2.

Из (6) следует, что, изменяя угол α в интер­вале π/2- π, получают изменение действующего значения тока первой гармоники в диапазоне I_max /1,41-0. Необходимо отметить, что уменьшение угла α < π/2 приведет к тому, что проводимость соответствующего тиристора станет больше поло­вины периода. Это вызовет нарушение в симмет­ричной работе тиристоров VS 1 и VS 2, так как если интервал проводимости одного тиристора больше, чем π, то второй тиристор VS 2 к моменту подачи на него импульса управления будет шунтирован первым VS 1 и не вступит в работу.

Снижение тока I_L при увеличении угла α экви­валентно увеличению индуктивного сопротивления X_L всей цепи компенсирующего устройства:

X_L  = π X ₀ / 2(α - π + π sin2α),            (7)

где X₀ = ωL ₀ - индуктивное сопротивление реактора L ₀ на частоте входного напряжения.

В приведенном примере зависимость тока от угла управления дана относительно первой (основ­ной) его гармоники, соответствующей частоте пи­тающего напряжения. Это объясняется тем, что в системах с компенсирующими устройствами ос­новную роль играет баланс реактивных мощностей на основной гармонике, а возникающие при регу­лировании высшие гармоники тока, обусловленные искажением формы тока в индуктивности, фильтру­ются посредством фильтров высших гармоник.

На основе схемы регулятора реактивной мощ­ности может быть выполнен бестрансформаторный стабилизатор переменного напряжения, позволяю­щий обеспечить повышение выходного напряже­ния относительно входного (рис.7,а). Принцип действия такого стабилизатора поясняется вектор­ной диаграммой (рис.7,б).

Входное напряжение U_вх равно геометрической сумме выходного напряжения U_вых и напряжения на реакторе 𝛥 U_L . Если изменять входной ток I _вх, то будут изменяться напряжение 𝛥 U_L и напряжение U_вых. При этом выходное напряжение U_вых можно регулировать так, что его значение станет либо меньше, либо больше U_вх. Угол сдвига φ между входным током I _вх и напряжением U_вх определяется коэффициентом мощности нагрузки cosφ, емкос­тью конденсатора C и эквивалентным значением индуктивности L _экв цепи, состоящей из тиристоров VS 1, VS 2 и индуктивности реактора L ₀. Эквивалент­ное значение индуктивности этой цепи, в свою очередь, зависит от угла управления α. При изме­нении угла α от нуля до π /2 значение

L _экв изменя­ется от L ₀ (когда каждый тиристор открыт в течение полупериода) до бесконечности (когда ток через L _экв равен нулю). Следовательно, изменяя угол α, можно изменять угол φ, который при этом прини­мает положительные и отрицательные значения, соответствует емкостному характеру входного со­противления (ωL_экв меньше 1/ωC ) или индуктив­ному (ωL_экв больше 1/ωC ).

 

Рис. 7. Стабилизатор переменного напряжения: а – силовая схема; б – векторные диаграммы при повышенном (пунктир) и пониженном входном напряжении

При емкостном характере входного сопротивле­ния ток I_вх опережает входное напряжение (на рис. 7,б векторы тока и напряжений для этого случая показаны штриховыми линиями), а при индуктив­ном – отстает. Из рис. 7,б видно, что при емкост­ном характере входного сопротивления выходное на­пряжение U_вых стабилизатора становится по значе­нию больше входного U_вх, а при индуктивном – меньше. Таким образом, изменяя угол управления α, можно регулировать выходное напряжение и, в частности, стабилизировать его при колебаниях входного напряжения и тока нагрузки.

Основным достоинством рассматриваемой схемы является малое искажение формы выходного напряжения благодаря наличию конденсатора C. Но установленные мощности конденсатора С и реактора L₀ в 2–3 раза выше номинальной мощ­ности нагрузки.

Широкое распространение получили стабилиза­торы напряжения с переключением отпаек обмоток трансформатора (или автотрансформатора). Такие стабилизаторы позволяют обеспечить высокую точ­ность стабилизации выходного напряжения при малых искажениях входного тока. Эти качества особенно важны в системах электроснабжения, со­держащих мощные выпрямительные установки, на­пример, для технологических систем электролиза в металлургической промышленности. В таких сис­темах использование управляемых тиристорных выпрямителей приводит к существенным искаже­ниям сетевого тока. Поэтому оказывается целесо­образным использовать многофазные неуправляе­мые выпрямители, а стабилизацию напряжения осуществлять посредством трансформаторов с от­пайками, переключаемых тиристорами. Плавность регулирования в таких схемах достигается фазовым управлением тиристоров в пределах диапазонов на­пряжений, определяемых витками переключаемых секций обмоток трансформатора.

На рис. 8 представлена упрощенная схема стабилизатора, отпайки автотрансформатора кото­рого переключаются тиристорами VS 1, VS 2 и VS 3, VS 4. Стабилизация выходного напряжения в дан­ной схеме осуществляется изменением моментов переключения отпаек автотрансформатора. В поло­жительный полупериод входного напряжения в про­водящем состоянии могут находится тиристоры VS 1 или VS 2, а в отрицательный – VS 3 или VS 4. Коммутация тиристоров в такой схеме происходит под воздействием напряжения автотрансформато­ра. Для обеспечения естественной коммутации ти­ристоров необходимо, чтобы переключение произ­водилось на отводы с более высоким потенциалом. Например, в положительную полуволну выходного напряжения сначала включается тиристор VS 2, а затем VS 1. В этом случае при включении тирис­тора VS 1 образуется короткозамкнутый контур, в котором развивается ток, направленный встречно току нагрузки, протекающему через тиристор VS 2.

 

 

Рис. 8. Стабилизатор переменного напряжения с отпайками автотрансформатора: а – силовая схема;

б – диаграммы напряжения

В результате тиристор VS 2 выключается и ток начинает проводить тиристор VS 1. Регулирование действующего значения выходного напряжения может в данной схеме производиться плавно за счет изменения моментов переключения тиристоров. На рис. 8,бпредставлена диаграмма выходного напряжения стабилизатора при активной нагрузке.

При активно-индуктивной нагрузке возникает необходимость в усложнении системы управления тиристорами. Это объясняется тем, что ток нагруз­ки будет отставать от напряжения на обмотке авто­трансформатора, а выключение тиристоров проис­ходит в моменты прохождения тока нагрузки через нуль.

Также необходимо отметить, что в стабили­заторах напряжения невысокой мощности могут успешно использоваться транзисторы в сочетании с диодами, позволяющие осуществлять коммута­цию в любой момент времени.

 

---

Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 147; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!