Глава третья прерыватели переменного тока

3.1. Краткое описание

Прерыватели переменного тока представляют собой электронные ключи, позволяющие включать или отклю­чать нагрузку в цепи (переменного тока .или регулиро­вать ее мощность.

Прерыватели переметного тока .могут классифициро­ваться па зависимости от различных факторов (способа управления, числа фаз, схемы соединений, вида нагруз­ки). Наиболее общая классификация прерывателей пе­ременного тока как электронных ключей основывается «а способе управления: ключ типа контактора. Этот тип электрического ключа подобно механическому контак­тору служит только для включения или отключения це­пи. После включения напряжение на нагрузке равно на­пряжению питания;

управляемый ключ отличается от контактора тем, что для снижения переходных токов, сопровождающих 130

процесс включения, после включения вводится перехоД-ный период управления. На практике это осуществля­ется уменьшением угла управления с заранее установ­ленной скоростью;

регулируемый ключ ■представляет собой электронный ключ, у которого может регулироваться угол управле­ния, а значит, и «мощность в цени переменного тока. Форма кривой напряжения на нагрузке отличается от формы кривой напряжения источников питания. Напря­жение и ток обычно содержат много гармоник. Основная

Prc. 2.1, Схемы однофазных прерывателей переменного тока.

гармоника имеет ту же частоту, что .и частота напря­жения питания. Ток основной гармоники отстает от на­пряжения питания по фазе. Угол отставания зависит от пила нагрузки и угла управления. Такие ключи по­требляют реактивную мощность [8].

В ключах всех трех типов может использоваться од­на и та же силовая схема, отличия могут быть только в назначении и исполнении цепей управления. В сило­вых схемах прерывателей неременого тока в качестве основных элементов используются тиристоры, симмет­ричные триодные тиристоры и диоды. Из свойств тирис­торов следует, что управляющий сигнал включает пре­рыватель переменного тока практически без задержки и что после прекращения подачи сигнала ток в цепи прекратится в момент прохождения его через нуль.

Однофазные прерыватели переменного тока. Наи­более часто встречающиеся схемы соединений представ­лены на рис. 3.1.

На рис. 3.1, а показана полностью управляемая од- нофазная симметричная схема «тиристор — тиристор». Нагрузка присоединяется к питающей сети через два 9* 131 тиристора, соединенных встречно-параллельно. Для то­го чтобы один из тиристоров мог начать проводить ток, к нему должно быть приложено прямое напряжение, а к управляющему электроду — управляющий сигнал. Два тиристора, соединенных встречно-параллельно, могут быть заменены одним симметричным триодным тирис­тором (оимиетором). Если управление симметрично в течение двух полупериодов, то напряжение на нагрузке не будет иметь постоянной составляющей.

а) Я) б)

Рис. 3.2. Схемы трехфазных симметричных полностью управляемых прерывателей переменного тока.

На рис. 3.1,6 показана однофазная полууправляе­мая схема «тиристор — диод». Ее применение ограниче­но вследствие того, что, во-нервых, энергия будет про­должать передаваться каждый полупериод после пре­рывания управляющего сигнала и, во-вторых, напряжение на нагрузке имеет постоянную составляю­щую, если угол управления тиристора отличен от нуля, а проводимость прерывистая [5, 8].

На рис. 3.1, в показана упрощенная схема соедине­ний прерывателя переменного тока. Напряжение .на на­грузке может регулироваться одним тиристором, вклю­ченным в диагональ однофазного диодного моста. Схе­ма работает точно так же, как и полностью управляемая симметричная схема.

Трехфазные прерыватели переменного тока. Подобно однофазным схемам трехфазные схемы могут быть раз­делены на три группы.

На рис. 3.2 приведено несколько трехфазных симмет­ричных полностью управляемых схем соединений «ти­ристор— тиристор». В схеме на рис. 3.2, а нейтраль звезды выведена, а в схемах на рис. 3.2, бив она изо­

лирована. Очевидно, что схемы соединений с изолиро­ванной нейтралью пригодны для питания .нагрузок, со­единенных в треугольник или звезду. Схема соединений с выведенной нейтралью имеет то -преимущество, что напряжение да тиристорах меньше, но ее недостаток состоит в том, что нейтраль нагружается значительны­ми токами высших гармоник, когда углы управления тири­сторов отличны от нуля [6].

Работа схемы с изолиро­ванной нейтралью будет зави­сеть от того, как управляются два тиристора, соединенные встречно-параллельно, а также от того, используются ли в ка­честве коммутационного эле­мента два тиристора, соеди­ненные встречно-параллельно, или один симметричный триод-ный тиристор.

На рис. 3.3 показана трех­фазная полууправляемая схе­ма соединений «тиристор — диод». Нагрузка может быть соединена в звезду или треугольник. В отличие от одно­фазной схемы соединений «тристор — диод» в трехфаз­ной схеме ток не 'будет протекать через нагрузку после прерывания управляющих сигналов и перехода тока через нуль, так как имеется тиристор, соединенный встречно-параллельно каждому диоду. Напряжение на нагрузке не имеет постоянной составляющей, но кривые напряжения для любой данной нагрузки и угла управ­ления в течение двух лолупер йодов различны (5, 8]. На­пряжения на тиристорах больше, чем на тиристорах в полностью управляемых схемах.

На рис. 3.4 представлены две упрощенные схемы. На рис. 3.4, а .показана схема соединения «тиристор — тиристор», в которой тиристоры имеются в двух фазах, а третья фаза присоединена непосредственно к нагруз.-ке. Преимущество этой схемы состоит в меньшем числе тиристоров и схем управления. Недостаток схемы: при симметричном управлении, коммутирующими элементами формы кривых напряжений и токов в различных фазах неодинаковы и их действующие значения заметно раз­личаются [5, 8]. Фазные напряжения могут быть в ка-

кой-то степени симметрированы при помощи асимме­тричного управления тиристорами. Напряжение на управляемых элементах такое же, как и в полууправ­ляемой схеме.

На рис. 3.4, б показана схема с тремя тиристорами, соединенными в треугольник и введенными в нейтраль звезды нагрузки. Это решение можно принять только в

Рис. 3.4. Упрощенные схемы трехфазных прерывателей переменного

тока.

случае возможности разрыва нейтрали звезды нагрузки. Преимущество этой схемы заключается в отсутствии ди­одов, -но при полностью открытых тиристорах их среднее значение тока в 1,5 раза больше, чем в схеме -на рис. 3.3 [5]. Напряжение иа тиристорах в этих двух схе­мах одно -и то же.

Упрощенная схема соединений «тиристор — диод» (с вентилями только в двух фазах) не имеет практичес­кого применения, так как ток будет проходить через на­грузку даже при отсутствии управляющих сигналов.

Проектирование силовой схемы прерывателя пере­менного тока представляет собой комплексную задачу. Даже в установившемся режиме ток и напряжение на вентилях имеют квазистационарный характер. Задачи, представленные ниже, относятся только к работе пре­рывателей в установившемся режиме.*

При выборе элементов прерывателей по току и на­пряжению потери мощности должны определяться ис­ходя из формы кривой тока, проходящего через полу­проводниковые приборы. Потери в полупроводниковом приборе практически равны потерям от прямого тока, которые в свою очередь зависят от среднего и действу­ющего значений тока элемента и его прямой вольт-ам-134

первой характеристики. Графики, называемые характе­ристиками управления, показывают зависимость от угла управления токов отдельных вентилей, тока нагрузки, действующих и •мгновенных значений напряжения на нагрузке в -установившемся режиме [5, 8, 22]. Несколько таких характеристик управления приводится ниже при решении задач. Можно выбрать подходящий вентиль, зная потери мощности в нем и параметры охлаждения

Рис. 3.5. Схемы прерывателей переменного тока, предназначенных для изменения порядка следования фаз (направления вращения

двигателя). а — симметричная схема; б—упрощенная схема.

(среднюю температуру, тепловое сопротивление и до­пустимую температуру слоя вентиля, тепловое сопро­тивление блока охлаждения). Значение dijdt на управ­ляемых вентилях может быть найдено для каждой вы­бранной схемы соединений, вида нагрузки и угла управ­ления.

В установившемся режиме напряжение на полупро­водниковых вентилях может быть разделено на два вида:

стационарное напряжение, зависящее от схемы со­единений, нагрузки, изменений в напряжении питания и противо-ЭДС;

переходное напряжение, определяемое коммутациями и внешними перенапряжениями. Переходное напряже­ние зависит от амплитуды и длительности перенапряже­ний, от характеристик вентилей и используемых средств защиты от перенапряжений.

Скорость нарастания прямого напряжения du/di на тиристорах зависит от схемы соединений, вида нагруз­ки и угла управления.

Область применения прерывателей переменного тока разнообразна. В качестве ключей типа контактора и управляемых ключей они часто используются в нагре­вательных системах (электропечах сопротивления, до­машних электронагревательных приборах и т. д.), в сварочных устройствах, а также для коммутации одно­фазных и трехфазных двигателей.

При помощи трехфазных прерывателей переменного тока двигатели можно не только включать и отклю­чать, но и реверсировать [23, 24]. На рис. 3.5 приве-

Рис. 3.6. Схема прерывателей переменного тока, предназначенных для регулирования питающего напряжения выпрямителей.

ден пример применения прерывателя для реверсирова­ния двигателя. На рис. 3.5,а показан полностью управ­ляемый симметричный ключ для изменения порядка сле­дования фаз (т. е. для реверсирования направления вращения). На рис. 3.5,6 дана упрощенная схема, ис­пользуемая для этих же целей.

Прерыватели переменного тока в качестве управляе­мых ключей используются для регулирования мощности в устройствах электронагрева точечной и полосовой сварки, а также для регулирования скорости и момента вращения двигателей переменного тока. Они широко используются для регулирования питающего напряже­ния выпрямителей на низком напряжении с большими токами и выпрямителей ВН с малыми токами (рис. 3.6). Этот способ регулирования имеет то преимущество, что При нем исключается необходимость параллельного или

т

последовательного соединения управляемых вентилей, при котором могут потребоваться очень сложные элек­трические схемы управления и защиты от сверхтоков и перенапряжений.

Из-за многообразия проблем, затрагиваемых этой темой, нам не удалось так выбрать задачи, чтобы они охватывали все аспекты. Поэтому представлены лишь методы расчета прерывателей переменного тока и даны типичные примеры.