2. Узлы параллельной коммутации тиристоров

2.1. Цель работы

Изучить принцип действия и характеристики узлов параллельной принудительной конденсаторной коммутации тиристоров, применяемых в импульсных преобразователях постоянного напряжения и автономных инверторах напряжения.

2.2. Теоретические сведения

Схемы коммутационных узлов довольно разнообразны. Они различаются как способами соединения основных элементов, непосредственно участвующих в запирании тиристоров преобразователя, так и способами выполнения цепей, предназначенных для решения вспомогательных задач. Однако все они могут быть отнесены к одной из двух групп: с параллельной или последовательной коммутацией.

В параллельных коммутационных узлах на этапе коммутации элементы коммутационных узлов подключаются либо параллельно силовому тиристору, либо параллельно нагрузке.

Схема узла параллельной коммутации (рис. 2.1, а) состоит из силовой цепи, включающей источник питания Е1, силовой тиристор VS2 с встречно-параллельным диодом VD1, нагрузку активно-индуктивного характера Z_н и шунтирующий диод VD2; коммутирующей цепи, содержащей конденсатор С, дроссель L2 и тиристор VS3; цепи заряда коммутирующего конденсатора С, включающей источник питания Е2, зарядный дроссель L1, резистор R и тиристор VS1.

Схема работает следующим образом (рис. 2.1, б – ж). В момент времени t₁ подается управляющий импульс на тиристоры VS1 и VS2. К нагрузке прикладывается напряжение Е1, диод VD2 запирается, и через нагрузку протекает ток от источника питания. В связи с отпиранием в тот же момент времени тиристора VS1 создается контур для перезаряда конденсатора С: (+Е2, L1, R, VS1, С, -Е2). К концу перезаряда конденсатора (полярность в скобках) к VS1 прикладывается обратное напряжение, и он запирается. Для запирания силового тиристора в момент времени t₃ открывается коммутирующий тиристор VS3. На интервале t₃…t₄ происходит уменьшение до нуля тока силового тиристора VS2. На интервале t₄…t₅ к VS2 прикладывается обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD1 от протекания через него тока (i_с – i_н). В момент времени t₅ i_с = i_н, ток через диод VD1 равен нулю, и он закрывается. К этому моменту времени конденсатор перезарядился полярностью без скобок до напряжения U_с > Е1. Поэтому открывается диод VD2, образуя цепь замыкания тока нагрузки, напряжение u_н становится равным нулю, а к тиристору VS2 прикладывается напряжение Е1 в прямом направлении. При запирании диода VD1 и отпирании диода VD2 процесс перезаряда коммутирующего конденсатора С завершается по контуру (+Е1, С, L2, VS3, VD2, -Е1) (интервал времени t₅…t₆). При этом ток диода VD2 равен

(i_н – i_с). После спадания i_с до нуля тиристор VS3 запирается обратным напряжением (U(0)–E1). Пауза в кривой выходного напряжения продолжается до прихода в момент времени t₇ импульса управления на отпирание тиристоров VS1 и VS2.

Особенностью схем узлов параллельной коммутации является то, что на этапе протекания коммутационного процесса запирания силового тиристора элементы коммутации создают связь нагрузки с источником питания, и нагрузка продолжает потреблять энергию от источника питания до окончания процесса коммутации.

Время t_п.в, предоставляемое силовому тиристору для восстановления запирающих свойств, не является постоянной величиной. При неизменных значениях С и L2 время t_п.в зависит от величины питающего напряжения и тока нагрузки. При работе преобразователя важно, чтобы при изменении Е1 и тока нагрузки i_н связанное с ними изменение t_п.в не приводило к нарушению соотношения t_п.в ≥ t_в, где t_в – паспортное значение времени восстановления запирающих свойств тиристора. Если это соотношение не будет выполняться, то тиристор будет постоянно оставаться в открытом состоянии, что нарушит работу преобразователя. Зависимость t_п.в от указанных параметров называется коммутационной характеристикой. Коммутационная характеристика узлов параллельной коммутации описывается уравнением:

,

где – угол коммутации тиристора;

–угловая частота контура коммутации;

–относительное значение начального напряжения в контуре коммутации;

–начальное значение напряжения на конденсаторе перед коммутацией;

–коэффициент нагрузки преобразователя;

–ток нагрузки перед коммутацией;

–характеристическое сопротивление контура коммутации.

Коммутационные характеристики для схем параллельной коммутации показаны на рис. 2.2, характер зависимости Θ = f(χ) поясняется диаграммой тока i_с(t) (рис. 2.3).

При увеличении тока I(0) уменьшается время, в течение которого к силовому тиристору приложено обратное напряжение, и, следовательно, уменьшается угол коммутации Θ. Так, для диаграммы i_с1(t) I(0)₁ < I(0)₂, а t_п.в1 > t_п.в2.

При увеличении начального напряжения на конденсаторе U(0) увеличивается максимальный ток коммутирующего конденсатора, что приводит к увеличению времени, в течение которого к тиристору приложено обратное напряжение, и, следовательно, к увеличению угла коммутации Θ. Так, при неизменном токе I(0)₁, I_c2m > I_c1m, а t_п.в1 < t_п.в3. Поэтому при больших значениях ε характеристики располагаются правее.