Силовые полупроводниковые аппараты управления

Строгой классификации силовых полупроводни­ковых аппаратов управления не существует. Тради­ционно к ним относятся полупроводниковые преры­ватели электрической цепи на токи свыше 10 А, вы­полняющие функции статических контакторов и ре­гуляторов параметров электрической энергии (пускорегулирующие и управляющие устройства в элек­троприводе, стабилизаторы напряжения и тока, регу­ляторы и компенсаторы реактивной мощности и др.). Основными исполнительными элементами сило­вых полупроводниковых аппаратов являются тирис­торы или силовые транзисторы, работающие в клю­чевых режимах. К достоинствам сило­вых полупроводниковых аппаратов можно отнести быстродействие и высокие функциональные возможности. Однако есть и существенные недостатки: отсутствие видимой части разрыва цепи и высокое переходное сопротивление, что приводит к существованию гальванической связи.

4.12.1 ТИРИСТОРНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Тиристорные прерыватели с естественной ком­мутацией. Большинство типов тиристорных преры­вателей переменного тока выполняются на основе схемы двух встречновключенных тиристоров VS1 и VS2 (рис.4.1, а). Управление тиристорами осу­ществляется от системы управления СУ, имеющей, как правило, связи с внешним управлением (Упр), зада­ющим режим работы прерывателя, и устройствами отображения информации (Инф) о его функциониро­вании.

Принцип действия прерывателя основан на пери­одическом включении тиристоров VS1 и VS2 в мо­менты поступления на них импульсов управления. Моменты формирования импульсов управления син­хронизированы с фазой переменного напряжения цепи, в которой установлены прерыватели. Выклю­чение тиристоров обусловливается их естественной коммутацией в моменты, соответствующие уменьшению прямого тока тиристора до нуля под воздей­ствием переменного напряжения силовой цепи.

Рис. 4.1.Тиристорный прерыватель с естественной коммутацией

а - схема; б - диаграмма напряжения и тока

При работе в режиме контактора каждый из ти­ристоров проводит ток нагрузки в течение поло­вины периода Т/2, соответствующего частоте пита­ющей сети. При этом для обеспечения устойчивой работы контактора с нагрузкой, имеющей соsφ=1, длительность импульса управления должна быть не менее / ω, где — угол сдвига между напряже­нием и током нагрузки, ω — частота переменного напряжения. Выключение контактора происходит при снятии (блокировке) импульсов управления ти­ристорами. В силу естественной коммутации тирис­торов гарантированное время выключения контак­тора не может быть меньше Т/2.

В режиме работы регулятора напряжения (тока) импульсы управления поступают на тиристоры со сдвигом относительно фазы переменного напряже­ния на угол управления α (рис. 4.1, б). В результате с ростом уг­ла управления α действующее и среднее значения напряжения (тока) уменьшаются. Функциональ­ные возможности регулятора и закон регулирования определяются СУ регулятора, в которую вводятся сигналы необходимой информации от внешних дат­чиков.

Тиристорные прерыватели с принудительной коммутацией. Тиристорные прерыватели перемен­ного тока с принудительной (искусственной) ком­мутацией преимущественно используются в качест­ве быстродействующих контакторов переменного тока. Топология схем соединения основных тирис­торов при этом сохраняется такой же, как и схем с естественной коммутацией, но при этом дополни­тельно в силовую схему вводятся устройства, обес­печивающие принудительное в любой заданный СУ момент времени выключение основных тиристоров. Наибольшее распространение в качестве таких ус­тройств получили LC-контуры, подключаемые к ос­новным тиристорам посредством вспомогательных тиристоров, не участвующих в проводимости тока нагрузки при включенном состоянии контактора. Вариант типовой схемы такого тиристорного преры­вателя, работающего в режиме контактора, пред­ставлен на рис. 4.2, а. Когда контактор включен, ток нагрузки протекает в один полупериод через ти­ристор VS1 и диод VD1, а в другой — через тирис­тор VS2 и диод VD2. Коммутирующий конденсатор С_к заряжен от маломощного зарядного устройства ЗУ до напряжения U_CKm (рис. 4.2, б) с полярнос­тью, указанной на рис. 4.2, а, и отделен от основ­ных тиристоров и диодов выключенным тиристором VS3.

Рис. 4.2. Тиристорный прерыватель с принудительной коммутацией

а - схема; б - диаграмма напряжения и тока на интервале коммутации

Импульсы управления тиристорами формируют­ся СУ, так же как и в контакторах с естественной коммутацией. Выключение контактора происходит по внешней команде, вызывающей формирование СУ импульса управления тиристором VS3 и его включение.

Наличие в конту­ре реактора обусловливает колебательный харак­тер разрядного процесса. Если нагрузка активно-индуктивная, то значитель­ная часть энергии, запасенная в индуктивности на­грузки , переходит в конденсатор С_к, вызывая пе­ренапряжение на нем обратной (исходному состоя­нию) полярности. Значение перенапряжения на кон­денсаторе С_к можно снизить введением в схему энер­гопоглотительного сопротивления (рис.4.2, а) или исключить полностью посредством компенса­ции индуктивной составляющей конденсатором С_н.

В течение времени -тиристоры и контакто­ры восстанавливают свою запирающую способ­ность. Для гарантированного выключения основных тиристоров длительность интервала -должна превышать паспортное значение времени выключе­ния тиристоров tq при максимальном допустимом характеристиками контактора токе коммутируемой нагрузки. Для рассматриваемой схемы рекоменду­ется выбирать следующие параметры колебательно­го контура:

;

,

где - коэффициент запаса, значение которого принимается обычно равным 23; , —максимальные значения напряжения на конденса­торе С_к и отключаемого тока.

Лекция 17

4.12.2 СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Упрощенная структурная схема прерывателя по­стоянного тока представлена на рис. 4.3. Функ­ции ключа S могут выполнять различные виды си­ловых полупроводниковых элементов, работающих в ключевом режиме: силовые транзисторы, обыч­ные и запираемые тиристоры и др. При использо­вании ключевых элементов с неполной управляемо­стью, например обычных тиристоров, их выключе­ние обеспечивается посредством принудительной коммутации. Моменты включения и отключения ключевого элемента S определяются системой упра­вления СУ, имеющий связь с устройствами внешне­го управления режимами работы Упр и отображе­ния информации о функционировании прерывате­ля Инф. Для работы прерывателя на активно-ин­дуктивную нагрузку в схеме предусматривается об­ратный диод VD, который при выключении ключа S под воздействием ЭДС самоиндукции нагрузки включается и замыкает на себя ток /_н (рис. 4.3, б).

Прерыватель постоянного тока, так же как и пе­ременного, может выполнять функции контактора или регулятора напряжения (тока) нагрузки Z_H. В качестве регулятора прерыватель, схема которого изображена на рис. 4.3, а, является представите­лем широкого класса преобразователей постоянного тока в постоянный, имеющих различное схемотех­ническое исполнение. В этом аспекте он классифи­цируется как последовательный ключевой преобра­зователь постоянного тока с импульсным регулиро­ванием. В зависимости от выполняемых функций закон импульсного управления может быть различ­ным: широтно-импульсная модуляция (ШИМ), ча­стотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и др.

Возможности управления в регуляторе, выпол­ненном по схеме на рис. 4.3, а, ограничены однополярной модуляцией напряжения. Использование полностью управляемых ключей, например запира­емых тиристоров, позволяет на основе топологии четырехквадрантного преобразователя реализовы­вать управляющие устройства постоянного тока с двухполярной модуляцией и рекуперацией энергии в первичный источник. Это существенно расширяет возможности управления в случае нагрузки, имею­щей активно-индуктивный характер.

Дата добавления: 2014-01-04