Розанов учебник(ЭЭА) / GLAVA_11

Статические коммутационные аппараты предназначены для включения и отключения электри- ческих цепей посредством силовых электронных ключей. Примером таких аппаратов служат стати- ческие реле и контакторы с функциями аналогич- ными для традиционных аппаратов этих видов. В таком применении используемые в них ключи могут рассматриваться как прерыватели с относительно редкой коммутацией. Статические ключи

âимпульсных регуляторах работают, как правило,

âрежиме периодической коммутации на повышенных частотах. Однако в отдельных случаях стати- ческий аппарат совмещает функции коммутирующего и регулирующего устройств.

Âразделе о коммутации электрических цепей традиционными электромеханическими аппаратами было введено понятие идеального ключа. Там же отмечалось, что по статическим ВАХ ключа, зависящим от проводимости во включенном и выключенном состояниях, электромеханические ключи приближаются к идеальным. По динамическим ВАХ, характеризующим быстродействие, статические ключи приближаются к идеальным. Электромеханические и статические коммутационные аппараты не исключают друг друга, а дополняют и расширяют область рациональных техни-

ческих решений задач коммутации. Статические и электромеханические ключи существенно разли- чаются по следующим показателям:

–возможностям и способам отвода электроэнергии при коммутационных процессах;

–управлению коммутационным процессом;

–стойкости к перегрузкам по току и перенапряжениям;

–количеству коммутаций;

–наличию гальванической развязки между цепями источника, нагрузки и управления.

Эти показатели определяют рациональные области и эффективность использования того и или иного вида ключей. Поэтому рассмотрим их подробнее.

При переходе ключа из одного состояния в другое (включенное или выключенное) в ключе выделяется энергия, которая зависит как от динамической ВАХ ключа, так и характера коммутируемой цепи

(см. п. 7.1.3). Например, при быстром отключении активно-индуктивной цепи практически вся энергия, накопленная в ее индуктивной составляющей, переходит в ключ. В электромеханическом ключе эта энергия вызывает дугообразование с последующим переходом в тепло. В статических ключах дугообразование отсутствует и энергия выделяется непосредственно в ключе, например, в кристалле полупроводникового прибора. Причем, это явление сопровождается возникновением недопустимых перенапряжений или токовых перегрузок (см. п. 7.1.3). В результате возможен выход ключа из строя, если не принять соответствующих мер (использование ЦФТП или дополнительных энергопоглотителей (см. п. 7.1.4).

Повышенная стойкость электромеханического ключа по сравнению со статическим к токовым перегрузкам и перенапряжениям с очевидностью вытекает из принципа действия и конструктивных исполнений ключей.

Статические ключи позволяют реализовать коммутационные аппараты с управлением коммутационными процессами. Такая возможность следует из быстродействия статических ключей и способности некоторых из них работать в активном режиме как регулируемое сопротивление (транзисторные ключи). Быстродействие статических ключей позволяет обеспечить импульсное регулирование на повышенных частотах тока или напряжения в коммутируемой цепи. Импульсное управление параметрами цепи более эффективно по сравнению с регулированием за счет непрерывного изменения активного сопротивления, так как оно вызывает значительные потери мощности, ограничивающие возможности управления.

Отсутствие подвижных механических частей и дуговых явлений практически снимает ограничения на допустимые количества коммутации статических ключей. Это обстоятельство является существенным преимуществом статических коммутационных аппаратов.

Наличие гальванической развязки между цепями источника электропитания, нагрузки и управления в ряде случаев оказывается решающим фактором, влияющим на выбор аппарата. В этом отно-

шении аппараты на статических ключах существенно уступают электромеханическим аппаратам, в которых гальваническая развязка обусловлена принципом действия самого аппарата. В статических аппаратах обеспечение гальванической развязки усложняет их схемотехнику.

В зависимости от назначения и коммутируемого тока различают статические реле, контакторы, автоматические выключатели и др. Широкие возможности силовых электронных ключей позволяют в настоящее время создавать многофункциональные статические аппараты, выполняющие функции коммутации, регулирования, защиты и пр.

Параметры коммутируемой цепи определяют вид статического ключа. Реле и контакторы средней мощности выполняются на транзисторах. Для коммутации цепей с большими токами и высокими напряжениями используются тиристоры. Принци-

пы действия статических аппаратов на транзисторах и запираемых тиристорах во многом сходны. При использовании традиционных тиристоров возникают задачи, связанные с их принудительным выключением. Решение этих задач возможно различными схемотехническими способами. Выбор наиболее целесообразного из них производится с учетом конкретных технико-экономических условий его производства и применения. В отдельных случаях целесообразным оказывается использование в одном аппарате двух видов ключей – стати- ческих и электромеханических. Такие аппараты называются гибридными. По существу гибридный аппарат является синтезом статических и традиционных электромеханических аппаратов. Результатом такого технического решения является обеспе- чение возможности более полного использования преимуществ обоих видов ключей.

Функцию транзисторного реле как контактора может выполнять простейший транзисторный усилитель, выполненный, например, по схеме с общим эмиттером (рис. 11.1,à). В этой схеме транзистор VT должен работать в ключевом режиме. Управление транзистором осуществляется подачей на его базу сигнала управления UÓ, который создает базовый ток iá, обеспечивающий при заданной нагрузке Rí режим насыщения транзистора во включенном состоянии. Статические и динамические процессы транзисторов в ключевых режимах работы подробно рассмотрены в § 7.3. Здесь же отметим, что для скачкообразного перехода транзистора VT из одного состояния в другое и наоборот, сигнал управления UÓ также должен изменяться скачкообразно (рис. 11.1,á). При более плавном изменении сигнала управления переход транзистора из одного состояния в другое затягивается (рис. 11.1,â). В результате возрастают время включения (tâêë) и выключения (tâûêë) транзистора, когда транзистор находится в активном режиме. Крутизна фронтов включения и выключения может быть уменьшена при прочих равных условиях за счет увеличения коэффициента усиления, например, посредством включения в схему промежуточных усилителей. При этом одновременно будет решаться задача уменьшения мощности сигнала управления.

Увеличение коммутируемого тока достигается выбором соответствующих по мощности транзисторов либо параллельного соединения их в необходимом количестве в выходном каскаде.

Зависимость времени включения и выключения от скорости изменения сигналов управления может

быть исключена в схемах с релейной характеристикой переключения. Рассмотрим это явление более подробно.

Рис. 11.1. Простейшее транзисторное реле:

à – принципиальная схема; á – идеальные диаграммы напряжения; â – диаграммы напряжения с учетом времен коммутации

Íà ðèñ. 11.2,à представлена структурная схема усилителя, охваченного положительной обратной связью по выходному сигналу. В статических режимах, а также в схемах с безынерционными звеньями передаточные функции последних выражаются действительными числами. В рассматриваемой схеме звену прямой передачи соответствует коэффициент Kïð, а звену обратной связи – Kîñ. Коэффициент передачи всей системы с замкнутой обратной связью (ОС) при допущении линейности звеньев во всем диапазоне изменения сигналов имеет следующий вид [91]:

эффициент Kçàì принимает отрицательное значе- ние. Графическая иллюстрация этих закономерностей приведена на рис. 11.2,á, где прямая 1 соответствует зависимости Y = KïðXóïð, а прямая 2 – Xîñ = KîñY при разомкнутой ОС. Для замкнутой

положительной ОС X∑ = Xóïð + Xîñ è Y (Xóïð) согласно (11.1.) переходит в область отрицательных зна- чений Xóïð, чему соответствует прямая 3. В рассматриваемом случае сигнал Y изменяется в диапазоне от нуля до предельного значения Ymax для положительных значений.

Физический смысл изменения знака коэффициента Kçàì состоит в том, что сигнал Xîñ положительной ОС добавляется к сигналу управления Xóïð, обеспечивая возможность уменьшения его до зна- чений, включающих отрицательные. Например, в разомкнутой системе сигналу Xóïð = Xà соответствует выходной сигнал Y0, при котором на выходе ОС формируется сигнал X0. В результате в замкнутой системе для достижения Y0 достаточно подать на вход сигнал Xc. Наклон прямой 3 в область отрицательных значений для системы с замкну-

нии выходного сигнала уровнем Ymax. Такой S-об- разный характер зависимости между входным и выходным сигналами соответствует релейной характеристике, когда выходной сигнал Y изменяет скачкообразно свое значение. Одновременно возникает явление гистерезиса (запаздывания), при котором значения Xóïð, соответствующие переходу из одного состояния в другое и обратно, различны. Например, если в рассматриваемом случае скачко-

образное изменение сигнала Y из нулевого значе- ния в максимальное Ymax (срабатывание реле) происходит при Xóïð = 0, то обратный переход из состояния Y = Ymax в состояние Y = 0 (отпускание

реле) произойдет при Xóïð = Xîòï. Ширина петли гистерезиса определяется коэффициентом Kîñ, с увеличением которого при Kîñ > 1 ⁄ Kïð ширина петли возрастает, а при Kîñ = 1 ⁄ Kïð равна нулю. При введении в сигнал Xóïð постоянной составляющей, называемой сигналом смещения, петля также будет смещаться относительно оси ординат, и пропорционально Xñì будут также изменяться, пороги срабатывания Xñð и отпускания Xîòï (ðèñ. 11.2,â), причем ширина релейной петли при этом не изменится.

На основе устройств с S-образной зависимостью выходного сигнала от входного могут выполняться не только реле или контакторы, но и автогенераторы. Для создания режима автоколебаний

Рис. 11.2. Релейный эффект:

à – структурная схема; á – характеристики; â – влияние смещения на характеристики

в устройство с S-образной зависимостью вводят различные инерционные элементы, например, конденсаторы.

Релейный эффект обычно используется при проектировании схем транзисторных реле. Примером могут служить схемы на основе двухкаскадных усилителей с положительной обратной связью по напряжению или току. Рассмотрим кратко процессы в этих схемах.

Схема с ОС по напряжению (рис. 11.3,à). Предположим, что транзистор VT2 второго каскада выполняет функции ключевого элемента статического реле, коммутирующего нагрузку Rí. Управление реле осуществляется от источника напряжения Uó сигналом, подаваемым через резистор RB1 на базу транзистора VT1. За исходное состояние примем включенное состояние реле, когда транзистор VT2 находится в проводящем (насыщенном) состоянии, которому соответствуют соотношения

ãäå IC2, IB2 – токи коллектора и базы транзистора VT2; β 2 – коэффициент усиления транзистора VT2.

Напряжение Uó равно нулю и транзистор VT1 находится в состоянии отсечки.

При подаче на базу транзистора VT1 напряжения UÓ с полярностью, соответствующей его вклю- чению (указанной без скобок на рис. 11.3,à) в цепи базы возникает ток. С увеличением напряжения увеличивается ток базы iÂ1 и транзистор VT1 переходит из состояния отсечки в активный режим. В результате потенциал коллектора транзистора VT1 уменьшается, что приводит к уменьшению тока iB2 транзистора VT2, который начинает выходить из состояния насыщения и потенциал его коллектора возрастает. Это приводит к появлению тока в цепи обратной связи

ãäå UCE2 – напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2.

Появление тока iîñ приводит к еще большему увеличению тока iB1 и включению транзистора VT1. Таким образом, благодаря началу действия положительной ОС, процесс начинает приобретать лавинообразный (регенеративный) характер, приводя при определенном значении Roc к релейному эффекту, в результате которого происходит скачкообразное выключение транзистора (выключение реле). В новом состоянии транзистор VT1 будет оставаться насыщенным и при снижении UÓ äî

нуля за счет действия ОС, если соблюдается следующее условие

Сопротивление Roc, обеспечивающее релейный эффект, может приближенно быть определено

Для обратного перехода транзистора VT2 в насыщенное состояние (включение реле) необходимо запирающим сигналом UÓ (с полярностью, указанной на рис. 11.3,à в скобках) перевести транзистор VT1 в состояние отсечки. При этом необходимо компенсировать влияние положительной ОС, что повышает напряжение Uñð срабатывания реле (рис. 11.3,â).

Рис. 11.3. Транзисторные реле с положительной обратной связью:

à – по напряжению; á – ïî òîêó; â – диаграммы напряжения

Схема с ОС по току (рис. 11.3,á) в литературе называется ”триггером Шмитта”. В этой схеме положительная ОС осуществляется через сопротивление Rîñ, включенное в цепь эмиттера транзистора VT1. При включении транзистора VT2 (включении реле) в цепи ОС начинает протекать ток, создающий напряжение на Rîñ с полярностью, соответствующей выключению транзистора VT1. При подаче на базу транзистора VT1 напряжения с полярностью, соответствующей его включению, напряжение на транзисторе VT1 уменьшается, вызывая выклю- чение транзистора VT2. В результате воздействия положительной ОС при определенных значениях Rîñ возникает лавинообразное переключение транзисторов из одного состояния в другое, которое соответствует релейному эффекту. Сопротивление Rîñ, при котором возникает этот эффект, приближенно может быть определено:

В схеме с ОС по току пороговые срабатывания и отпускания реле также различны, как и в схеме

ñОС по напряжению. Следует отметить, что схема

ñОС по току также может быть использована для создания простейшего статического реле на дискретных элементах, но по основным показателям (КПД и др.) она несколько уступает схеме с ОС по напряжению.

При использовании интегральных микросхем совместно с дискретными элементами целесообразно релейный элемент выполнять на операционных усилителях с положительной обратной связью (см. § 9.3.), а в качестве оконечного каскада использовать силовой ключ на транзисторах. Пример такой схемы приведен на рис. 11.4.

Обеспечение гальванической развязки. Одним из

недостатков статических коммутационных аппаратов является отсутствие гальванической развязки между цепями силового ключа и управления. Это обусловлено принципом действия полупроводниковых ключей, в которых токи утечки протекают и в режимах отсечки. Цепи управления гальванически связаны с силовым ключом. Для гальванической развязки выходной цепи с цепями управления, как правило, используют различные оптоэлементы: светодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и др. Обычно это оптронные пары в интегральном исполнении. Оптронные пары могут включаться непосредственно на управляющем входе аппарата и обеспечивать гальваническую развязку цепей формирования управляющего сигнала с выходом. Однако предпочтительней оптронную пару максимально приблизить к оконечному каскаду, который

Рис. 11.4. Схема управляющего каскада на операционном усилителе

Рис. 11.5. Обеспечение гальванической развязки между системой управления и силовым электронным ключом:

à – оптопарой; á – высокочастотным трансформатором

является силовым исполнительным органом. В этом случае будет обеспечена гальваническая развязка цепей предварительных каскадов усиления и других функциональных, как правило, слаботочных узлов от силовой цепи. На рис. 11.5,à приведена упрощенная схема с гальванической развязкой на основе оптронной пары.

Гальваническая развязка между цепями управления и силовым ключом может быть выполнена и на основе трансформаторов. Для этого в схеме используется промежуточное звено переменного тока повышенной частоты (рис. 11.5,á).

Влияние индуктивности цепи на процесс коммутации. Многие виды источников электропитания и нагрузок обладают внутренним сопротивлением активно-индуктивного характера. Индуктивная составляющая цепи существенно влияет на процессы ее коммутации, замедляя нарастание тока цепи при ее включении и вызывая перенапряжения на ключе при отключении. Подробно анализ этих явлений и способы ограничения перенапряжений рассмотрены в § 7.1.

Коммутационные аппараты проектируются с уче- том отключения аварийных токов, например, при частично или полностью короткозамкнутой цепи нагрузки (рис. 11.6,à). В этом случае в индуктивностях

может накапливаться значительная энергия Li 2 ⁄ 2, вывод которой из электрической цепи усложняет

задачу коммутации. На рис. 11.6,á представлена эквивалентная схема транзисторного реле VT. В этой схеме входная индуктивность Lâõ является эквива-

лентной индуктивностью генератора постоянного тока E и линии, в которой установлено реле, а Lí.ýêâ – эквивалентной индуктивностью отклю-

чаемой нагрузки. Предположим, что к моменту начала выключения реле (t = t0) òîê iS в коммути-

руемой цепи достиг значения Ism (ðèñ. 11.6,â). При этом во входной индуктивности будет накоплена энергия LâõI 2sm ⁄ 2, а в индуктивности нагрузки –

Lí.ýêâI 2sm ⁄ 2. Если воспользоваться моделью тран-

зисторного ключа как генератора линейно спадаю-

щего тока с фронтом tâûêë = t1 − t0, определяемым параметрами транзистора, то перенапряжения на

индуктивных составляющих будут определяться скоростью спада тока is, равной в данном случае

Ism ⁄ tâûêë. Эти перенапряжения должны быть ограничены на допустимом для транзистора уровне, чтобы исключить выход его из строя. Включение в схему реле обратного диода позволяет ограничить перенапряжения от индуктивной составляющей нагрузки Ií.ýêâ на уровне, определяемом входным

напряжением E. Однако перенапряжения от индуктивности Lâõ не могут быть также легко ограниче- ны. Эффективную роль в данном случае могут сыграть энергопоглощающие ЦФТП (см. § 7.4.), например, включенные параллельно транзистору RC-цепь или варистор. Параллельная RC-цепь уменьшает динамическое сопротивление релейного контакта в выключенном состоянии, что необходимо учитывать при ее использовании. Применение варистора в этом отношении предпочтительней, так как до наступления режима пробоя на определенном уровне напряжения его проводимость низка и незначительно влияет на сопротивление контакта выключенного реле. Очевидно, что напряжение пробоя варистора Uvar должно быть меньше напряжения допустимого для транзистора. С другой стороны, значение Uvar определяет время выключе- ния реле. Например, полагая транзистор идеальным по быстродействию, можно считать, что спад тока is

через варистор происходит по линейному закону (рис. 11.6,â). При этом энергия LâõI 2sm ⁄ 2 рассеива-

ется в варисторе в виде выделяемого в нем тепла. Время спада тока до нуля, т.е. время выключения реле tâûêë в данном случае будет определяться разницей напряжений варистора Uvar и источника E:

Рис. 11.6. Влияние индуктивностей входных и выходных цепей на выключение электронного реле à – схема с большим числом нагрузок; á – схема с варисторным

ограничителем перенапряжения; â – диаграммы токов и напряжений схемы с варистором

После выключения реле нагрузка будет отклю- чена от источника электроэнергии, но в ней может продолжать протекать ток ií, обусловленный энергией, накопленной в индуктивности Lí.ýêâ.

Очевидно, что для снижения энергоемкости варистора, необходимо уменьшать энергию, накапливаемую в индуктивности Lâõ. С этой целью в стати- ческих аппаратах защиты от токов КЗ следует уменьшать уровень отключаемого тока за счет бы-

стродействия электронного ключа. Современные электронные ключи позволяют практически мгновенно отключить короткозамкнутые цепи и исклю- чить развитие аварийного процесса. В результате энергия, накапливаемая в Lâõ, может быть существенно уменьшена. Если аппарат рассчитан на коммутацию цепей с большими индуктивностями Lâõ, целесообразно использовать в качестве энергопоглотителя конденсаторы, подключенные с входной стороны аппарата. Но такие конденсаторы могут оказывать нежелательное влияние на работу системы электропитания, поэтому наличие и значение емкости входных конденсаторов должны быть отражены в технических характеристиках аппарата.

Расширение функций транзисторных реле и контакторов. Хорошая управляемость и высокое быстродействие транзисторных ключей позволяют расширять функции коммутационных аппаратов. Основными направлениями этого являются:

регулирование тока или напряжения в коммутируемой цепи;

контроль параметров и защита коммутируемой цепи;

функционирование по заданному алгоритму; контроль, защита и диагностика основных

функциональных узлов.

Рассмотрим некоторые функции более подробно. Регулирование тока или напряжения цепи осуществляется путем перевода транзистора в активный или импульсный режимы с управляемым коэффициентом заполнения импульсов. Импульсное регулирование предпочтительнее по основным техническим показателям и является наиболее перспективным. Режим регулирования тока обычно используется для ограничения тока в коммутируемой цепи. На рис. 11.7 представлены схема и диаграмма ограничения тока в нагрузке в импульсном режиме работы транзисторов. При возникновении перегрузки, например, подключении сопротивления Zí′, ток в ключе начинает возрастать. В момент достижения током is порогового значения Iïîð транзистор выключается, и начинается спад тока, который при индуктивном характере нагрузки протекает через обратный диод VD. Контроль тока осуществляется датчиком тока ÄÒ. Различные способы импульсного регулирования рассматриваются в § 11.2. В некоторых статических реле и контакторах импульсное регулирование осуществляется в целях плавного нарастания тока в потребителе при его подключении к источнику электропитания (рис. 11.7,â). Например, плавное нарастание тока в галогеновых лампах значительно повышает ресурс их работы. Импульсное регулирование также исполь-

Рис. 11.7. Ограничение и регулирование тока:

à – принципиальная схема; á – диаграммы тока и напряжения

âрежиме ограничения тока; â – диаграммы тока и напряжения

âпусковом режиме

зуется для обеспечения плавного пуска или остановки электропривода постоянного тока и др.

Примером схем, реализующих работу реле по заданному алгоритму, могут служить реле времени. На рис. 11.8 представлена простейшая схема реле времени, выполненная на основе схемы двухкаскадного транзисторного реле. В этой схеме нет положительной обратной связи – это компаратор без ОС. В исходном состоянии реле включено, т. е. транзистор VT1 – заперт напряжением Eçàï, а транзистор VT2 выходного каскада проводит ток нагрузки. Выдержка времени на отключение создается RC-цепью, конденсатор C которой в исходном состоянии шунтирован контактами ключа управления S, а его функции может выполнять другое реле. Отключение реле происходит при размыкании ключа S, в результате чего начинается заряд конденсатора

C ïî öåïè: E → Eçàï → C → R1. При превышении напряжением на конденсаторе Uc значения, равно-

го сумме напряжений на источнике Eçàï è p-n-пере- ходах диода VD и транзистора VT1, в базе послед-

Рис. 11.8. Электронное реле времени

Рис. 11.9. Принципиальная схема интеллектуального интегрального реле

него начнет протекать базовый ток. В результате транзистор VT1 открывается, а VT2 – закрывается,

что соответствует отключению реле. Время выдержки на отключение реле приближенно определяется

альным образом изменило возможности расширения функций статических реле и контакторов. На основе интеграции в одном корпусе микросхем управления, включая микропроцессоры и силовых транзисторных ключей были созданы, так называемые, интеллектуальные, или разумные” реле. Эти реле не только реализуют все”функции, указанные выше, но и позволяют их постоянно расширять и дополнять новыми возможностями. В качестве примера на рис. 11.9 приведена структурная схема интеллектуального реле фирмы Siemens, созданного для автомобильной промышленности. Основными функциями этих реле являются:

включение и отключение нагрузки; защита цепей от короткого замыкания, пере-

грузки, перенапряжения, неправильной полярности напряжения и т. д.;

выдача информации на внешние устройства о состоянии цепи, наличии и виде аварийной ситуации и др.

Использование мощных транзисторных ключей позволяет создавать также и многофункциональные статические аппараты, объединяющие функции контакторов и регуляторов.

Тиристоры используют как ключевые элементы контакторов постоянного тока в цепях с повышенными значениями напряжений и токов. Достоинством тиристорных ключей является их высокая перегрузочная способность в кратковременных режимах работы. При использовании в качестве ключа запираемого тиристора схема статического аппарата не имеет принципиальных отличий от схемы аппарата с транзисторным ключом. Однако применение обычного традиционного тиристора в цепях постоянного тока связано с необходимостью введения в силовую часть схемы дополнительных элементов, обеспечивающих принудительное (или искусственное) выключение тиристора (см. § 7.4).

Существующие схемы принудительного выклю- чения тиристоров в контакторах постоянного тока разделяют на две группы: запираемые обратным напряжением и запираемые импульсом обратного тока. В первой группе схем в качестве источника напряжения используется предварительно заряженный конденсатор, во второй – импульс тока

формируется при разряде предварительно заряженного конденсатора в колебательном LC-контуре.

Коммутация тиристора обратным напряжением конденсатора. На рис. 11.10 представлена схема с конденсаторной принудительной коммутацией, осуществляемой подключением заряженного коммутирующего конденсатора Cê параллельно основному силовому тиристору VS1. Нагрузка предполагается активно-индуктивная (например, обмотка возбуждения электродвигателя). Поэтому в схеме для протекания тока, обусловленного энергией, накопленной в индуктивной составляющей нагрузки на интервале выключенного состояния тиристора VS1, предусмотрен обратный диод VD. Подключе- ние конденсатора Cê осуществляется вспомогательным коммутирующим тиристором VS2. Управление прерывателем производится подачей внешних слаботочных сигналов или включением сухих контактов управляющих цепей, что приводит к появлению на выходе СУ отпирающих импульсов для тиристоров VS1 è VS2.

Включение прерывателя происходит при подаче в момент времени t0 (ðèñ. 11.10,á) отпирающего импульса на тиристор VS1, который переходит в проводящее состояние. Предположим, что к моменту времени t = t0 конденсатор Cê был заряжен до напряжения E источника питания с полярностью, указанной на рис. 11.10,à. Одновременно с включением тиристора VS1 начинается колебательный процесс перезаряда конденсатора Cê ïî öåïè: Cê− VS1− VD1− Lê− Cê. При этом напряжение на конденсаторе Cê, если пренебречь потерями в элементах схемы, будет изменяться по закону гармонических колебаний

мент времени t1, когда ток конденсатора спадает до нуля (рис. 11.10,á). Äèîä VD1 блокирует дальнейший перезаряд, и в результате на конденсаторе останется напряжение полярностью, противоположной указанной на рис. 11.10,à. Таким образом конденсатор Cê окажется подготовленным к выключению основного тиристора.

Для выключения основного тиристора VS1 в момент времени t2 подается отпирающий импульс на вспомогательный тиристор VS2. Включение его приводит к выключению тиристора VS1, так как к нему оказывается подключенным заряженный конденсатор Cê, разрядный ток которого будет направлен встречному току нагрузки протекающему через тиристор VS1. После выключения тиристора VS1 ток нагрузки начнет протекать через тиристор VS2 и конденсатор Cê перезаряжает его. Принимая на этом кратковременном этапе ток ií неизменным, можно считать, что напряжение на конденсаторе будет изменяться по линейному закону:

ãäå UC (t2) = − E.

До тех пор, пока напряжение на конденсаторе Cê не изменит свой знак (момент времени t3), к основному тиристору VS будет приложено обратное напряжение, и он имеет возможность восстановить запирающую способность. Для обеспечения времени восстановления тиристора VS1 емкость конденсатора Cê должна удовлетворять соотношению:

ãäå Ií – коммутируемый ток нагрузки; tвосст – время выключения тиристора; kçàï – коэффициент запаса.

В момент времени t4 напряжение на конденсаторе достигает значения, равного E, и перезаряд прекращается. Это объясняется тем, что при дальнейшем повышении напряжения происходит включение обратного диода VD, к которому начи- нает прикладываться прямое напряжение, равное разности входного напряжения E и напряжения конденсатора UC. В результате ток нагрузки Ií протекает через включенный диод VD (ток, обусловленный накоплением энергии в индуктивной составляющей нагрузки Lí).

Перезаряд конденсатора Cê при включении основного тиристора VS1 вызывает дополнительное (по сравнению с током нагрузки Ií) увеличение протекающего через него тока (рис. 11.10,á). Поэтому при выборе тиристора VS1 следует учитывать максимальное значение прямого тока через него, определяемое как

Индуктивность Lê, задающая при рассчитанном значении емкости Cê частоту колебательного контура ω 0, определяется, с одной стороны, допустимым (рациональным для используемой элементной базы) максимальным значением IVS1, с другой – максимальной частотой срабатывания контактора.

Основным недостатком рассмотренной схемы является увеличение длительности коммутационного процесса при выключении в режимах малых

Рис. 11.10. Тиристорный контактор с коммутацией напряжением заряженного конденсатора:

à – принципиальная схема; á – диаграммы тока и напряжения

нагрузок. Это обусловливается тем, что длительность перезаряда коммутирующей емкости Cê увеличивается с уменьшением тока перезаряда, т. е. тока нагрузки. Другим недостатком является дополнительная загрузка основного тиристора VS1 по току в период подготовки конденсатора Cê к коммутации, когда происходит его перезаряд, вызванный включением тиристора VS1. Кроме того, в момент выключения тиристора VS1 на нагрузке возникает двукратный всплеск напряжения относительно значения входного напряжения E (ðèñ. 11.10,á).

Зависимость длительности коммутации от тока нагрузки можно существенно уменьшить, если в схему ввести дополнительный контур перезаряда коммутирующего конденсатора, состоящий из диода VD2 и реактора L2 (рис. 11.11). Наличие дополнительного контура приводит к тому, что в момент включения коммутирующего тиристора VS2 конденсатор Cê будет перезаряжаться не только током нагрузки Ií, но и колебательным током через L2. При этом длительность перезаряда конденсатора не может быть меньше половины периода колебательного процесса в этом контуре при любых токах нагрузки, включая холостой ход.

Коммутация тиристора импульсом обратного тока. На рис. 11.12 представлена схема, в которой импульс обратного тока формируется LêCê-конту- ром при разряде конденсатора Cê. Для подготовки схемы к работе, необходимо зарядить конденсатор Cê. С этой целью подается импульс управления на тиристор VS2, через который конденсатор заряжается с полярностью, указанной на рис. 11.12,à (без скобок). Включение контактора осуществляется подачей в момент времени t0 (ðèñ. 11.12,á) импульса управления на основной тиристор VS1. Одновременно начинается перезаряд конденсатора Cê ïî öåïè: Cê− Lê− VD2− VS1. Когда полуволна перезарядного тока iê спадает до нуля (момент времени t1), äèîä VD2 выключается и конденсатор Cê оказывается заряженным с полярностью, указанной на рис. 11.12,à в скобках, т. е. подготовленным для коммутации тиристора VS1.

Для выключения тиристора VS1 в момент времени t2 подается импульс управления на тиристор VS2. При включении тиристора VS2 начинается колебательный процесс в контуре: Cê− VS1− VS2− Lê. При этом через тиристор VS1 будет протекать разность токов нагрузки ií и разрядного тока контура iê. Когда эти токи станут равными (момент времени t3), тиристор VS1 выключится. Далее ток iê продолжает возрастать, и через диод VD1 будет проходить разность токов iê è ií. Ïîêà äèîä VD1 проводит ток,

Рис. 11.11. Схема тиристорного контактора с дополнительным контуром перезаряда коммутирующего конденсатора

Рис. 11.12. Тиристорный контактор с коммутацией током колебательного контура:

à – принципиальная схема; á – диаграммы тока и напряжения

к тиристору VS1 будет приложено обратное напряжение, равное прямому напряжению на диоде VD1. На этом интервале времени тиристор VS выключа- ется. Когда ток iê снова станет меньше тока нагрузки ií (момент времени t4), äèîä VD1 выключится. Далее происходит дозаряд конденсатора Cê током нагрузки ií до значения входного напряжения E ïî öåïè: VS2− Lê− Cê− Zí− E . После этого включается диод VD, шунтирующий цепь нагрузки (момент времени t5). Так как в момент времени t5 òîê ií отличен от нуля, то энергия, запасенная в индуктивности Lê, расходуется на дальнейшее увеличе-