Аппараты переменного тока на полностью управляемых ключах

В последнее время на основе полностью управляемых полупроводниковых приборов разработаны электронные аппараты на различные токи с очень высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом работы. При этом становится возможным коммутировать силовые цепи за время, не превышающее десяти микросекунд, т. е. практически мгновенно относительно скорости изменения аварийных токов и напряжений в промышленных сетях. В качестве ключей в электронных аппаратах переменного тока используются силовые биполярные и МОП-транзисторы, запираемые тиристоры и бурно прогрессирующие биполярные транзисторы с изолированным затвором. В то же время быстрая коммутация электрических цепей вызывает определенные проблемы, связанные с наличием в коммутируемых цепях индуктивностей и выводом накопленной в них энергии при коммутации. Рассмотрим эти процессы более подробно на примере отключения нагрузки однофазной цепи переменного тока.

На рис. 14.10 представлены схема однофазного коммутационного аппарата, выполненного на основе транзисторов, и диаграммы, иллюстрирующие процессы изменения тока и напряжения при его отключении. Аппарат состоит из двух нар ключей на транзисторах со встречно включенными диодами: VT1, VT2, VD1, VD2 и VT3, VT4, VD3, VD4. Учитывая, что время выключения транзисторов мало по сравнению со временем изменения тока и напряжения, можно считать, что на интервалах выключения любого из транзисторов VT1 или YF2 ток нагрузки i_H и входное напряжение практически постоянны. В этом случае электромагнитные процессы в схеме будут сходны с процессами отключения статическим аппаратом цепи постоянного тока (см. гл. 13). Функцию обратного диода, замыкающего ток активно-индуктивной нагрузки, в данном случае выполняют транзисторы VT3, VT4 и диоды VD3 и VD4, включение которых должно выполняться синхронно с выключением транзисторов VT1 и VT2. Следует отметить, что внутреннее сопротивление источника переменного тока (генератора, трансформатора и др.) обычно имеет индуктивный характер, поэтому на рис. 14.10, а оно представлено эквивалентной индуктивностью L_c. Последняя оказывает существенное влияние на процесс выключения апнарата, так как при этом возникает задача вывода накопленной в ней энергии для исключения (ограничения) перенапряжений на выключающихся ключах VT1 и VT2. Чаще других применяют способ вывода путем рассеивания в энергопоглотителях — варисторах или стабилитронах. В настоящее время наиболее энергоемкими являются ограничители перенапряжения ОНИ на основе оксидно-цинковых варисторов. Такие ОНИ имеют высокое быстродействие и нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет эффективно ограничивать перенапряжения на заданном уровне за счет поглощения значительной доли энергии, накопленной в индуктивностях сети. Встречно включенные стабилитроны или варистор могут устанавливаться как непосредственно на входе аппарата, так и параллельно ключам.

Рассмотрим выключение транзисторного аппарата более подробно. Предположим, что ток г_н протекает через включенные транзистор VT1 и диод VD2 и в момент времени t_x поступают сигналы на его запирание и одновременно на включение транзистора VT4. В результате перенапряжений, возникающих на индуктивностях L_c и L_H при выключении транзистора VT1, варистор VAR пробивается и начинает проводить входной ток i_VAR, протекающий через индуктивность L_c. Одновременно должно происходить включение транзистора VT4 с диодом VD3, которые шунтируют ток нагрузки г_н. Этому процессу соответствует эквивалентная схема (рис. 14.10, б, в), в которой варистор представлен источником напряжения U_VAR, включенным встречно источнику питания. Ток в варисторе i_VAR будет уменьшаться при отрицательной сумме ЭДС контура. Обычно выбирают U_VAR = (1,5—2)t/_max, где f/_max — максимальное значение сетевого напряжения. Полагая, что напряжение в сети за время спада тока iy_AR до нуля изменится незначительно, можно записать.

В процессе спада тока энергия, накопленная в индуктивности L_c, будет рассеиваться в варисторе. На этом временном интервале варистор также дополнительно получает энергию источника питания. В наиболее неблагоприятном случае (при f/_max) энергию, выделяемую в варисторе, можно выразить следующим соотношением:

где i_VAR0 — значение тока, протекающего через индуктивность 1₍. в момент коммутации (?_t).

Обычно время спада тока варистора значительно меньше времени спада тока активно-индуктивной нагрузки. Поэтому после спада тока i_VAR до нуля и восстановления сетевого напряжения на варисторе цепи нагрузки оказываются отключенными от источника сетевого напряжения. Однако в нагрузке будет протекать ток, обусловленный выводом энергии из индуктивности нагрузки. Этот ток замыкается через шунтирующий ключ и спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени т = L_u/R_n.

Рис. 14.10. Транзисторный аппарат переменного тока:

а — схема силовой части; б — схема замещения на интервале отключения; в — диаграммы работы.