4.12.2 Силовые полупроводниковые прерыватели постоянного тока

У

Рис. 4.3. Прерыватель постоянного тока а — обобщенная схема; б — диаграммы тока и напряже­ния

прощенная структурная схема прерывателя по­стоянного тока представлена на рис. 4.3. Функ­ции ключа S могут выполнять различные виды си­ловых полупроводниковых элементов, работающих в ключевом режиме: силовые транзисторы, обыч­ные и запираемые тиристоры и др. При использо­вании ключевых элементов с неполной управляемо­стью, например обычных тиристоров, их выключе­ние обеспечивается посредством принудительной коммутации. Моменты включения и отключения ключевого элемента S определяются системой упра­вления СУ, имеющий связь с устройствами внешне­го управления режимами работы Упр и отображе­ния информации о функционировании прерывате­ля Инф. Для работы прерывателя на активно-ин­дуктивную нагрузку в схеме предусматривается об­ратный диод VD, который при выключении ключа S под воздействием ЭДС самоиндукции нагрузки включается и замыкает на себя ток /_н (рис. 4.3, б).

Прерыватель постоянного тока, так же как и пе­ременного, может выполнять функции контактора или регулятора напряжения (тока) нагрузки Z_H. В качестве регулятора прерыватель, схема которого изображена на рис. 4.3, а, является представите­лем широкого класса преобразователей постоянного тока в постоянный, имеющих различное схемотех­ническое исполнение. В этом аспекте он классифи­цируется как последовательный ключевой преобра­зователь постоянного тока с импульсным регулиро­ванием. В зависимости от выполняемых функций закон импульсного управления может быть различ­ным: широтно-импульсная модуляция (ШИМ), ча­стотно-импульсная модуляция (ЧИМ) и др.

Возможности управления в регуляторе, выпол­ненном по схеме на рис. 4.3, а, ограничены однополярной модуляцией напряжения. Использование полностью управляемых ключей, например запира­емых тиристоров, позволяет на основе топологии четырехквадрантного преобразователя реализовы­вать управляющие устройства постоянного тока с двухполярной модуляцией и рекуперацией энергии в первичный источник. Это существенно расширяет возможности управления в случае нагрузки, имею­щей активно-индуктивный характер.

4.13 Гибридные аппараты

Г

Рис.4.4. Обобщенные схемы гибридных контакторов переменного тока на основе тиристоров. а – схема контактора без гальванической развязки; б – схема контактора с гальванической развязкой

ибридными, или комбинированными, аппара­тами управления называются электрические аппа­раты, в которых во включенном состоянии ток в основном проходит через электромеханические кон­такты, а коммутация осуществляется силовыми по­лупроводниковыми элементами. Сочетание элек­тромеханических контактов с электронными прибо­рами позволяет повысить скорость коммутации, ис­ключив при этом частично или полностью появле­ние дуги, и одновременно уменьшить тепловыделе­ние во включенном состоянии за счет шунтирова­ния полупроводниковых р-n-переходов металли­ческим контактом с малым контактным сопротивле­нием. Гибридные аппараты отличаются коммутаци­онной износостойкостью и уменьшенными массога-баритами по сравнению с электромеханическими. Кроме того, они обладают более широкими функ­циональными возможностями, так как полупровод­никовые элементы могут использоваться для регу­лирования напряжения (тока) в переходных режи­мах по заданной системой управления программе. В качестве электронных ключевых компонентов в современных гибридных аппаратах используются преимущественно тиристоры. При этом, как прави­ло, применяется их естественная коммутация. В кон­такторах и выключателях переменного тока глав­ные контакты ГК шунтируются встречно соединен­ными тиристорами VS1 и VS2 обычно через вспомо­гательный контакт ВК (рис. 4.4, а). При включе­нии контактора последовательно включаются: вспо­могательный контакт ВК, один из тиристоров (в за­висимости от полярности мгновенного значения на­пряжения) и ГК. В ГК проводящий тиристор выключается, и ток нагрузки переходит в ГК без воз­никновения дуги. При отключении размыкание ГК вызывает процесс восстановления на нем напряже­ния, значение которого до начала развития дуги оказывается достаточным для включения соответст­вующего тиристора и перевода в него тока нагрузки. При прохождении тока через нуль происходит ес­тественная коммутация тиристора, находящегося в проводящем состоянии, и затем размыкание ВК.

Для обеспечения гальванической развязки нагруз­ки от источника в схему контактора вводят дополни­тельный вспомогательный контакт ВК2 (рис. 4.4, б). В целях бездуговой коммутации контакт ВК2 дол­жен замыкаться до включения ВК1 и размыкаться после отключения ГК и тиристора VS1 (VS2).

Управление тиристорами гибридного аппарата в общем случае осуществляется системой управления СУ, схемотехника которой определяется функция­ми аппарата. Для выполнения простейших функ­ций — включения и отключения — СУ может быть реализована на основе нескольких элементов без использования отдельных источников питания и ти­повых функциональных узлов электронной автома­тики.

На рис. 4.5, а представлена схема гибридного аппарата, СУ которого состоит из контакта ВК, ре­зистора R1 и двух диодов VD1, VD2. Функции ВК для повышения надежности могут выполнять герконы, обладающие высокой

Рис. 4.5. Схемы управления тиристорами гибридных аппаратов

а- схема на основе вспомогательного электромеханического контакта; б – схема на основе трансформатора тока

износостойкостью. Элек­тромеханический контакт ВК может быть исключен из СУ без ее значительного усложнения, посредст­вом использования трансформатора тока. Так, на­пример, в гибридных контакторах КТ управление тиристорами осуществляется по схеме с трансформатором тока ТТ, включенным последова­тельно с ГК (рис. 4.5, б). Включение тиристоров VS1 и VS2 происходит под воздействием напряже­ния, формирующегося на вторичных обмотках трансформатора при замыкании и размыкании ГК. Если гибридный аппарат должен выпол­нять функции также и регулятора, как, например, в пускорегулирующих устройствах, то СУ значи­тельно усложняется, так как закон регулирования реализуется посредством формирования определен­ной последовательности импульсов управления ти­ристорами. Как и в тиристорных регуляторах пере­менного тока, для этой цели обычно применяется способ фазового регулирования.