Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_12

à ë à â à ä â å í à ä ö à ò à ÿ

СТАТИЧЕСКИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ

ÈРЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

12.1.СТАТИЧЕСКИЕ И ГИБРИДНЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

12.1.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТАТИЧЕСКИХ И ГИБРИДНЫХ

АППАРАТАХ

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.

12.1.2.ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ И РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ÑЕСТЕСТВЕННОЙ 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 обыч- ных тиристоров – естественную и искусственную (принудительную). Соответственно существуют два класса тиристорных прерывателей или контакторов переменного тока – с естественной коммутацией (ТКЕ) и искусственной (ТКИ).

Прерыватели первого класса реализуются сравнительно просто, так как не содержат устройств, обеспечивающих принудительное выключение тиристоров. На рис. 12.1,à представлена однофазная схема ТКЕ, выполненная на основе встречно-па- раллельных тиристоров (или одного симистора). Импульсы управления должны поступать на тиристоры синхронно с сетевым напряжением. На рис. 12.1,á показана упрощенная структурная схема системы управления ÑÓ тиристорами прерывателя, которая включает в себя формирователи импульсов ÔÈ1, ÔÈ2 и входное устройство ÂÓ, обеспечивающее синхронизацию импульсов с сетевым напряжением. При работе прерывателя в режиме контактора, каждый из тиристоров находится в проводящем состоянии полпериода T/2, определяемого частотой напряжения. При выключении одного тиристора

Рис. 12.1. Тиристорный регулятор переменного тока на встреч- но-параллельных тиристорах:

à – силовая схема; á – структурная схема системы управления

310

§ 12.1. Статические и гибридные коммутационные аппараты переменного тока

Рис. 12.2. Тиристорный регулятор переменного тока на одном	Рис. 12.3. Трехфазный тиристорный регулятор переменного тока
тиристоре

Рис. 12.4. Диаграммы тока и напряжения тиристорного регулятора переменного тока

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-индук- тивной 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 tè > ϕ , чтобы обеспечить безразрывность тока нагрузки. Однако увеличение длительности импульса управления tè приводит к увеличению потерь мощности в цепях управления тиристорами, что необходимо учитывать при проектировании прерывателя.

Тиристорный прерыватель может быть выполнен на одном тиристоре (рис. 12.2). Однако увели-

Рис. 12.5. Регулировочная характеристика тиристорного регулятора переменного тока

чение числа диодов в схеме повышает потери мощности в прерывателе, что особенно заметно начи- нает проявляться в сильноточных ТКЕ. Тиристорные прерыватели могут иметь трехфазное исполнение, например, по схеме, изображенной на рис. 12.3. Очевидно, последовательность импульсов управления должна в такой схеме соответствовать трехфазной системе напряжений, т. е. следовать с сдвигом 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. 12.4).

Регулировочная характеристика прерывателя зависит не только от угла α , но и от характера

311

IÍ.Á

Гл. 12. Статические коммутационные аппараты и регуляторы переменного тока

нагрузки. На рис. 12.5 представлена зависимость действующего значения тока в относительных единицах

IÍ в активной нагрузке от значения угла α , включен-

ной через тиристорный регулятор с фазовым регули-

рованием, где IÍ.Á – 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.

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 вклю- чится 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 cosϕ = 1. Такие схемы используются в регуляторах реактивной мощности для компенсации избытка мощности емкостного характера, которая может возникать в различных устройствах: инверторах тока, фильтрокомпенсирующих устройствах и др. [91].

Схема и диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора с индуктивностью L0, представлены на рис. 12.6.

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 VS1 подается импульс управления. Тиристор включится и через индуктивность L0 начнет протекать ток. Этот ток можно представить в виде суммы двух составляющих – свободной iñâ(θ) и установившейся ió(θ) :

iL0(θ)	=	iñâ(θ) + ió(θ) .			(12.1)
Установившаяся составляющая
ió(θ)	=	−	Um	cosθ ,	(12.2)
			ω L0

ãäå L0 – индуктивность реактора; Um – амплитуда приложенного напряжения.

Свободную составляющую можно определить из закона коммутации тока в индуктивных цепях, согласно которому ток в момент коммутации в ин-

дуктивности скачком не изменяется, т. е.
iL0(α)	=	iñâ(α)			+ ió(α)		= 0,	(12.3)
где α – угол включения тиристоров.
Из (12.2) и (12.3) следует
	iñâ(α) =				Um	cosα .		(12.4)
					ω L0
Так как свободная составляющая из-за отсутст-
вия потерь в схеме не затухает, то iñâ(θ) =								iñâ(α) .
Из (12.1), (12.2) и (12.4) получим:
iL (θ)	=		Um	(cosα −			cosθ) .	(12.5)
0			ω L0

Диаграммы изменений тока и напряжения представлены на рис. 12.6,á. В момент (2π − α) ток iL становится равным нулю и тиристор VS1 выключается.

Рис. 12.6. Компенсатор реактивной мощности: à – силовая схема; á – диаграммы работы

312

§ 12.1. Статические и гибридные коммутационные аппараты переменного тока

Затем в момент времени (π + α) подается импульс управления на тиристор VS2 и ток в реакторе начи- нает 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

IL	=	√ 2	Imax(α − π + π sin2α) ,	(12.6)
01		π

ãäå Imax = Umax ⁄ (ω L0).

Для упрощения вычислений введем угол управления β = π − α (рис. 12.6.), при этом угол β изменяется в пределах 0 − π ⁄ 2.

Из (12.6) следует, что, изменяя угол α в интервале π ⁄ 2 − π , получают изменение действующего значения тока первой гармоники в диапазоне Imax ⁄ √ 2 − 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 VS1 è VS2, так как если интервал проводимости одного тиристора больше, чем π , то второй тиристор к моменту подачи на него импульса управления будет шунтирован первым и не вступит в работу.

Снижение тока IL при увеличении угла α эквивалентно увеличению индуктивного сопротивления XL всей цепи компенсирующего устройства:

XL =	π X0	,	(12.7)
	2(α − π + π sin2α)

ãäå X0 = ω L0 индуктивное сопротивление реактора L0 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. 12.7,à). Принцип действия такого стабилизатора поясняется векторной диаграммой (рис. 12.7,á).

Входное напряжение Uâõ равно геометрической сумме выходного напряжения Uâûõ и напряжения

на реакторе ∆ UL. Если изменять входной ток Iâõ, то будут изменяться напряжение ∆ UL и напряжение Uâûõ. При этом выходное напряжение Uâûõ можно регулировать так, что его значение станет либо меньше, либо больше Uâõ. Угол сдвига ϕ между входным током Iâõ и напряжением Uâõ определяется коэффициентом мощности нагрузки cosϕ , емкостью конденсатора C и эквивалентным значением индуктивности Lýêâ цепи, состоящей из тиристоров VS1, VS2 и индуктивности реактора L0. Эквивалентное значение индуктивности этой цепи, в свою очередь, зависит от угла управления α . При изменении угла α от нуля до π ⁄ 2 значение Lýêâ изменяется от L0 (когда каждый тиристор открыт в течение полупериода) до бесконечности (когда ток через Lýêâ равен нулю). Следовательно, изменяя угол α , можно изменять угол ϕ , который при этом принимает положительные и отрицательные значения, соответствует емкостному характеру входного сопротивления (ω Lýêâ меньше 1 ⁄ ω C) или индуктивному (ω Lýêâ больше 1 ⁄ ω C).

Рис. 12.7. Стабилизатор переменного напряжения:

à – силовая схема; á – векторные диаграммы при повышенном (пунктир) и пониженном входном напряжении

313

Гл. 12. Статические коммутационные аппараты и регуляторы переменного тока

Рис. 12.8. Стабилизатор переменного напряжения с отпайками автотрансформатора:

à – силовая схема; á – диаграммы напряжения

При емкостном характере входного сопротивления ток Iâõ опережает входное напряжение (на рис. 12.7,á векторы тока и напряжений для этого случая показаны штриховыми линиями), а при индуктивном – отстает. Из рис. 12.7,á видно, что при емкостном характере входного сопротивления выходное напряжение Uâûõ стабилизатора становится по значе- нию больше входного Uâõ, 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. Однако установленные мощности конденсатора 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 точ- ность 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. 12.8 представлена упрощенная схема стабилизатора, отпайки автотрансформатора которого переключаются тиристорами VS1, VS2 è VS3, VS4. Стабилизация выходного напряжения в данной схеме осуществляется изменением моментов переключения отпаек автотрансформатора. В положительный полупериод входного напряжения в проводящем состоянии могут находится тиристоры VS1 èëè VS2, а в отрицательный – VS3 èëè VS4. 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 VS2, а затем VS1. В этом случае при включении тиристора VS1 образуется короткозамкнутый контур, в котором развивается ток, направленный встречно току нагрузки, протекающему через тиристор VS2. В результате тиристор VS2 выключается и ток начинает проводить тиристор VS1. Регулирование действующего значения выходного напряжения может в данной схеме производиться плавно за счет изменения моментов переключения тиристоров. На рис. 12.8,á представлена 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.

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

314

§12.1. Статические и гибридные коммутационные аппараты переменного тока

12.1.3.ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ÑИСКУССТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ

При подаче команды на отключение в схеме рис. 12.1 формирование импульсов блокируется. При прекращении подачи импульсов тиристор VS1, проводящий ток нагрузки, выключается при спадании этого тока до нуля (под воздействием переменного сетевого напряжения происходит естественная коммутация тиристора). В зависимости от момента поступления команды на выключение время ее выполнения может изменяться от 0 до T ⁄ 2. Такое время срабатывания прерывателя в ряде случаев недопустимо.

Например, в установках бесперебойного электроснабжения при возникновении аварийных ситуаций требуется практически мгновенное переключе- ние нагрузки с одного источника на другой. Для этих целей используют прерыватели ТКИ, схемотехническое исполнение которых имеет много вариантов.

На рис. 12.9 представлен вариант схемы ТКИ.

Когда ТКИ	включен, то ток нагрузки протекает
в один полупериод через тиристор VS1 è äèîä VD1,
а в другой	– через тиристор VS2 è äèîä VD2.

Коммутирующий конденсатор Cê заряжен от маломощного зарядного устройства ЗУ до напряжения UC (0) с полярностью, показанной на рисунке, и отделен от основных тиристоров и диодов коммутирующим тиристором VS3.

Для выключения основных тиристоров VS1 è VS2 необходимо подать отпирающий импульс на тиристор VS3. При этом в результате разряда конденсатора Cê возникает ток iê, направленный встречно току проводящего в тот момент основного тиристора. При этом процессы в коммутационном контуре происходят на значительно более высокой частоте по отношению к частоте сети, поэтому ток ií на интервале коммутации практически не меняется. Допустим, что ток нагрузки проводил тиристор VS1. При включении тиристора VS3 в момент времени t = t1 в контуре VS3 − VS1 − VD3 − Cê − − Lê − VS3 начнется колебательный процесс разряда конденсатора Cê и нарастание тока iê (ðèñ. 12.9,á) по следующему закону:

		iê =	UC	(0)	sin (ω êt) ,	(12.8)
			√ ê	ê
			L	⁄ C
ãäå ω ê =	1	.
	√LêCê

При этом через тиристор VS1 будет протекать разность токов нагрузки и разряда конденсатора (ií − iê). Ïîêà òîê iê меньше тока ií, прямой ток

тиристора VS1 больше нуля и он находится в проводящем состоянии. Диод VD2 на этом интервале выключен, так как к нему приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на вклю- ченном тиристоре VS1. При равенстве токов iê è ií (момент времени t2 íà ðèñ. 12.9,á) ток тиристора VS1 становится равным нулю и он выключается. Одновременно под воздействием прямого положительного напряжения включается диод VD2 и разность токов ií è iê начинает протекать через диод VD2. На интервале проводимости диода VD2 к тиристору VS1 будет приложено запирающее напряжение, равное падению напряжения на диоде VD2. В момент времени t3 òîê iê снова становится равным току ií, ток диода VD2 становится равным нулю и он выключается.

Рис. 12.9. Тиристорный контактор с принудительной коммутацией:

à – силовая схема; á – диаграммы тока и напряжения

315

Гл. 12. Статические коммутационные аппараты и регуляторы переменного тока

Ток нагрузки ií начинает протекать по контуру:

VD3 − Cê −	Lê − VS3 −	VD1 − Zí − Uâõ − VD3. Начиная
с момента	времени	t3 процесс изменения тока

в этом контуре существенно зависит от параметров нагрузки. При активной нагрузке Rí < 2 ⁄ √Lê Cê изменение тока будет иметь колебательный характер с частотой, близкой к ω ê, т. е. будет по существу соответствовать току iê на интервале времени t3 − t4. В момент времени t = t4 ток спадает до нуля и все диоды и тиристоры, включая тиристор VS3 выключаются. Таким образом, момент времени t = t4 соответствует выключению прерывателя. В этом случае полное время выключения tâûêë прерывателя, отсчитываемое от момента подачи команды на выключение (подачи отпирающего импульса на тиристор VS3), можно определить

tâûêë =	tâêëVS3 + π √LêCê ,		(12.9)
ãäå tâêëVS3 – время включения тиристора VS3.			(Rí >
При увеличении	активной	нагрузки
> 2 ⁄ √Lê Cê ) процесс	становится	апериодическим

и момент спадания тока наступает позже (на рис.

12.9,á показан штриховой линией). Если же нагрузка активно-индуктивная, то выключение также происходит позже и при этом значительная часть энергии, накопленная в индуктивности нагрузки Lí, переходит в конденсатор Cê, увеличивая на нем обратное напряжение. При пренебрежении потерями в активной составляющей нагрузки и элементах схемы, это напряжение примет вид

U	√Lí + Lê		I	í0	,	(12.10)
C max		Cê

ãäå Ií0 – значение тока нагрузки в момент коммутации.

Перенапряжение на конденсаторе Ñê можно снизить, вводя в схему энергопоглотительное сопротивление Räîá (ðèñ. 12.9,à), или исключить полностью посредством компенсирующего конденсатора Ñ, подключаемого к цепи нагрузки после прерывателя. Следует отметить, что проблема компенсации индуктивной составляющей не возникает при использовании прерывателей в системах бесперебойного электроснабжения. В такой системе реактивный ток нагрузки принимает оставшийся в работе инвертор.

12.1.4. РЕЛЕ И КОНТАКТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ КЛЮЧАХ

В настоящее время на основе полностью управляемых силовых полупроводниковых ключей разрабатываются реле и контакторы с очень высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом работы. При этом становится возможным осуществлять коммутацию силовых цепей за время, не превышающее десяти микросекунд, т.е. практи- чески мгновенно относительно скорости изменения аварийных токов и напряжений в промышленных сетях. В качестве силовых электронных ключей в статических аппаратах используются силовые транзисторы, запираемые тиристоры и др. В то же время быстрая коммутация электрических цепей вызывает определенные проблемы, связанные с наличием в коммутируемых цепях индуктивностей

èвыводом накопленной в них энергии при коммутации. Рассмотрим эти процессы более подробно на примере отключения нагрузки однофазной цепи переменного тока.

На рис. 12.10 представлена схема однофазного контактора, выполненного на основе транзисторов,

èдиаграммы, иллюстрирующие процессы изменения тока и напряжения при его отключении. Статический контактор состоит из двух пар транзисторных ключей со встречно включенными диодами:

VÒ1, VÒ2, VD1, VD2 è VÒ3, VÒ4, VD3, VD4. Учиты-

вая, что время выключения транзисторов мало по сравнению со временем изменения тока и напряжения, можно считать, что на интервалах выклю- чения любого из транзисторов VÒ1 èëè VÒ2 òîê ií и входное напряжение практически постоянны. В этом случае электромагнитные процессы в схеме будут сходны с процессами отключения статическим контактором цепи постоянного тока (см. гл.11). Функцию обратного диода, замыкающего ток актив- но-индуктивной нагрузки, в данном случае выполняют транзисторы VÒ3, VÒ4 и диоды VD3, VD4, вклю- чение которых должно производиться синхронно с выключением транзисторов VÒ1 è VÒ2. Следует отметить, что внутреннее сопротивление источника переменного тока (генератора, трансформатора и др.) обычно имеет индуктивный характер, поэтому на рис. 12.10,à он представлен эквивалентной индуктивностью Lc, оказывает существенное влияние на процесс выключения контактора, так как при этом возникает задача вывода накопленной в ней энергии для исключения (ограничения) перенапряжения на выключающихся ключах VÒ1 è VÒ2. Наиболее распространенным способом вывода этой энергии является рассеивание ее на нелинейных полупроводниковых элементах – варисторах или стабилитронах. В настоящее время наиболее энер-

316

§ 12.1. Статические и гибридные коммутационные аппараты переменного тока

Рис. 12.10. Транзисторный контактор:

à – силовая схема; á – схема замещения на интервале отключе- ния; â – диаграммы работы

гоемкими являются ограничители перенапряжения ОПН на основе оксидно-цинковых варисторов. Такие ОПН имеют высокое быстродействие и нелинейную вольт-амперную характеристику, что по-

зволяет эффективно ограничивать перенапряжения на ключевых элементах на заданном уровне за счет поглощения значительной дозы энергии, накопленной в индуктивностях отключаемой цепи. Встречно включенные стабилитроны или варисторы могут включаться как непосредственно на входе контактора, так и параллельно ключам контактора по другим, менее распространенным, схемам.

Рассмотрим выключение транзисторного контактора (рис. 12.10,à) более подробно. Предположим, что ток ií протекает через включенные транзистор VÒ1 è äèîä VD2 и в момент времени t1 поступают сигналы на его запирание и одновременно на включение транзистора VÒ4. В результате перенапряжений, возникающих на индуктивностях Lí è Lc при выключении транзистора VÒ1, варистор VAR пробивается и начинает проводить входной ток iâõ, протекающий через индуктивность Lñ. Одновременно должно происходить включение транзистора VÒ4 и диода VD3, которые шунтируют ток нагрузки ií. Этому процессу соответствует эквивалентная схема рис. 12.10,á, в которой варистор представлен источником напряжения Uvar. Обычно выбирают

Uvar = (1,5 ÷ 2)Umax, ãäå Umax – максимальное значе- ние сетевого напряжения. В этом случае ток iâõ

будет спадать. Полагая, что напряжение в сети за время спада тока iâõ до нуля изменится незначи- тельно, можно записать

diâõ	>	Um	.	(12.11)
dt		Lc

Âпроцессе спада тока iâõ энергия, накопленная

âиндуктивности Lc, будет рассеиваться в варисторе (рис. 12.10,á). С учетом наличия в схеме источника сетевого напряжения, значение которого будем считать максимальным Umax (наиболее неблагопри-

ятный режим для выключения), энергию, выделяемую в варистор, можно выразить следующим соотношением

W =	LcT 2		Uvar		(12.12)
	2		Uvar − Umax

Обычно время спада тока ivar до нуля значительно меньше времени спада до нуля тока активно-ин- дуктивной нагрузки. Поэтому после спада тока ivar до нуля и восстановления сетевого напряжения на варисторе цепь нагрузки оказывается отключенной от источника сетевого напряжения. В то же время энергия, запасенная в индуктивной составляющей нагрузки ií, создает в нагрузке ток, спадающий по экспоненциальному закону с постоянной времени τ = Lí ⁄ Rí.

317

Гл. 12. Статические коммутационные аппараты и регуляторы переменного тока

	При проектировании контакторов переменного
	тока на транзисторах следует учитывать, что они
	позволяют блокировать напряжение одной поляр-
	ности. Поэтому транзисторы надо дополнять дио-
	дами, включенными параллельно или последова-
	тельно. В этой связи в слаботочных цепях целесо-
	образно использовать схему с одним транзистором,
	включенным на стороне постоянного тока диодно-
Рис. 12.11. Транзисторный контактор с одним транзистором	го моста (рис. 12.11).

12.1.5. ГИБРИДНЫЕ АППАРАТЫ

Основным достоинством статических коммутационных аппаратов переменного тока на полностью управляемых ключевых элементах является их высокое быстродействие, позволяющие практически мгновенно предотвратить возрастание аварийного тока, ограничив его максимальное значение на любом заданном уровне.

В то же время всем статическим аппаратам присущи два принципиальных недостатка – значительные потери активной мощности в проводящем состоянии и отсутствие гальванической развязки в разомкнутом состоянии. Для устранения этих недостатков используются гибридные аппараты (см. п.11.1.4).

Принципы построения и алгоритмы работы гибридных аппаратов переменного и постоянного токов во многом сходны. В качестве примера на рис. 12.12 приведена схема гибридного аппарата на основе встречновключенных тиристоров и электри- ческих контакторов, последовательно и параллельно соединенных с ними.

Следует отметить, что аппараты защиты на основе тиристоров как чисто статические, так и гибридные не позволяют гарантированно ограничить максимальное значение ударного тока КЗ. Это объясняется тем, что выключение тиристора происходит при прохождении тока через нуль, а при наиболее неблагоприятном моменте возникновения КЗ (рис. 12.12,á) ток спадает до нуля примерно в конце периода. За это время максимальное зна- чение ударного тока Ióä будет определяться следу-

ющим приближенным соотношением Ióä =	2Um	, ãäå
	ω Lc

ω – частота сетевого напряжения; Lc – эквивалентная индуктивность сети.

Рис. 12.12. Гибридный контактор переменного тока:

à– силовая схема; á – диаграмма тока короткого замыкания

Âто же время гибридный аппарат на основе встречно включенных тиристоров позволяет использовать положительные качества статического и электромеханического аппаратов. В результате

такой гибридный аппарат может реализовать ”мягкий” пуск (торможение) электропривода с ограни- чением за счет фазового регулирования пусковых токов и резких динамических воздействий в переходных процессах, а также повысить срок службы электромеханической части аппарата при одновременном улучшении ее массогабаритных показателей.

318

§ 12.2. Регуляторы переменного тока с импульсной модуляцией

Контрольные вопросы и задачи

1.Приведите схему силовой части статических аппаратов переменного тока на транзисторах.

2.Какие факторы влияют на длительность процесса отключения цепи тиристорным контактором переменного тока с естественной коммутацией?

3.Рассчитайте действующие значения тока в цепи активной нагрузки, подключенной через регулятор на основе встречно включенных тиристоров с естественной коммутацией при следующих исходных данных: амплитудное значение тока в цепи синусоидального напряжения Im = 100 À;

углы включения тиристоров α = 0°, α = 30° и

α = 45°.

4.Приведите аналитическое выражение для определения емкости коммутирующего конденсатора

Cê в тиристорном контакторе с искусственной коммутацией при следующих исходных данных:

коммутируемый ток Ií = 100 А (считать ток в процессе коммутации неизменным); коммутирующая цепь, подключаемая параллельно к ти-

ристору, состоит из последовательно включенных конденсатора Cê и реактора Lê; время выключения тиристора tâûêë = 200 мкс; начальное напряжение на конденсаторе UC(0) = 500 Â.

5.Рассчитайте энергию, поглощаемую варистором, подключенным параллельно транзисторным

ключам (см. рис. 12.10,à) при следующих исходных данных: uc(t) = 311sin(314t); Uvar = 400 В; выключаемый ток в процессе коммутации не

изменяется и равен 100 А.

6. Запишите в общем виде время включения и выключения гибридного контактора (см. рис. 12.12,à), учитывая основные факторы, влияющие на эти процессы.

7.Перечислите основные достоинства и недостатки гибридных коммутационных аппаратов по сравнению со статическими и электромеханическими.

8.Приведите вариант структурной схемы системы управления гибридного аппарата, представленного на рис. 12.12,à.

12.2.РЕГУЛЯТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

12.2.1.ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ÂЧЕТЫРЕХ КВАДРАНТАХ КОМПЛЕКСНОЙ ПЛОСКОСТИ

Источник переменного тока можно подключить к источнику постоянного тока через преобразователь, выполненный на основе силовых электронных ключей, соединенных по известным схемам преобразования [97]. Если в качестве ключей выбраны полностью управляемые элементы, например, транзисторы или запираемые тиристоры, то изменяя алгоритмы управления этими элементами можно обеспечить любые режимы работы преобразователя, соответствующие векторной диаграмме на рис. 12.13. На диаграмме показан вектор тока Ic и напряжения Uc со стороны источника переменного тока на комплексной плоскости. Преобразователь может работать как в режимах выпрямления (квадранты I и IV), так и в режимах инвертирования (квадранты II и III). Полная управляемость ключе- вых элементов в данном случае позволяет обеспе- чить работу в квадрантах III и IV, где требуется принудительная коммутация ключей в отличие от естественной коммутации в квадрантах I и IV. Благодаря этому свойству такие преобразователи называют четырехквадрантными.

В качестве источника (потребителя) постоянного тока можно использовать какой-либо накопитель электрической энергии, например, индуктив-

ный. Рассмотрим более подробно режимы работы преобразователя, выполненного по однофазной мостовой схеме на запираемых тиристорах VS1– VS4 с реактором Ld на стороне постоянного тока (рис. 12.14). Согласно закону электромагнитной индукции, полярность напряжения на индуктивности естественным образом изменяется на противоположную при переходе из режима накопления в ней энергии к режиму отдачи энергии при инвертировании. В этом случае нет необходимости в переключении полярности источника постоянного тока по отношению к мостовой схеме при переходе из режима выпрямления к инвертированию. Примем

Рис. 12.13. Векторная диаграмма тока и напряжения в четырехквадрантной плоскости

319