Тиристорные аппараты с искусственной коммутацией

В ранее рассмотренных аппаратах с ТКЕ операция отключения выполняется путем прекращения формирования импульсов, включающих тиристоры. Однако само прерывание тока нагрузки происходит с некоторой задержкой (в пределах полпериода). Это связано с тем, что работающий тиристор выключится только при естественном переходе его тока через ноль под воздействием переменного напряжения сети. Такое время отключения для аппаратов с защитными функциями, в частности автоматических выключателей, обычно недопустимо. Или, например, в установках бесперебойного электроснабжения при возникновении аварийных ситуаций требуется практически мгновенное переключение нагрузки с одного источника на другой. Для этих целей используют аппараты с ТКИ.

На рис. 14.9 представлен один из вариантов схемы аппарата с ТКИ. Когда аппарат включен, то ток нагрузки протекает в один нолупериод 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_c(0) с полярностью, указанной на рисунке, и отделен от основных тиристоров и диодов коммутирующими тиристорами VS3 и VS4. Для выключения основного тиристора VS1 (или VS2) необходимо подать отпирающий импульс на соответствующий коммутирующий тиристор VS3 (или VS4). При этом в результате разряда конденсатора С_к возникает ток г_к, направленный встречно току проводящего в этот момент основного тиристора. Процессы в коммутирующем контуре происходят на значительно более высокой частоте по отношению к частоте сети, поэтому ток нагрузки г_н на интервале коммутации практически не меняется. Допустим, что г_н протекает через тиристор VS1. При включении тиристора VS3 в момент времени t = t_x в контуре VS1 — VS3 — С_к — L_K начнется колебательный процесс разряда конденсатора С_к и нарастание тока г_к (рис. 14.9, б) по синусоидальному закону.

где 0)_к = 1Д//-_КС'_К. В результате через тиристор VS1 начинает протекать разность токов нагрузки г_н и конденсатора i_K. Пока ток г_к меньше тока г_н, ток тиристора VS1 больше нуля и находится в проводящем состоянии. При этом диод VD2 закрыт обратным для него падением напряжения на проводящем тиристоре VS1. При равенстве токов i_K и г_н (момент времени t₂ на рис. 14.9, б) ток тиристора VS1 становится равным нулю и тиристор выключается. Одновременно под воздействием прямого положительного напряжения открывается диод VD2 и разность токов i_K и г_п 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 ток г_к снова становится равным току г_н и диод VD2 закрывается. Ток нагрузки г_н начинает протекать по контуру: U_BX — VS3 — С_к — L_K — VD1 — Z_H. После момента времени t₃ процесс изменения тока в этом контуре существенно зависит от параметров нагрузки. При активной нагрузке R_n < 2JL_K/C_K изменение тока будет иметь колебательный характер с частотой, близкой к со_к, т. е. будет по существу соответствовать току i_K на интервале времени ?₃ — t_A. В момент времени t_A ток спадает до нуля, и все диоды и тиристоры закроются. Таким образом, момент времени t_A соответствует выключению аппарата. Полное время выключения аппарата ?_выкл, отсчитываемое от момента подачи команды на выключение (подачи отпирающего импульса на тиристор VS3), можно определить как

где ?_{вкл VS3} — время включения тиристора VS3.

Рис. 14.9. Тиристорный аппарат с принудительной коммутацией:

а — схема силовой части; б — диаграммы тока и напряжения При увеличении сопротивления активной нагрузки R_u > 2yjb_K/C_K процесс становится апериодическим, и момент спадания тока наступает позже (на рис. 14.9, б показан пунктирной линией). Если же нагрузка активноиндуктивная, то выключение также происходит позже и при этом значительная часть энергии, накопленная в индуктивности нагрузки L_w переходит в конденсатор С_к, увеличивая на нем обратное напряжение. Пренебрегая потерями в активной составляющей нагрузки и элементах схемы, это напряжение можно определить как.

где /_н0 — значение тока нагрузки в момент коммутации.

Перенапряжение на конденсаторе С_к можно снизить, вводя в схему энергопоглощающее сопротивление /?_доб (см. рис. 14.9, а), или исключить полностью посредством компенсирующего конденсатора С, подключаемого к цепи нагрузки после аппарата.