Основные схемы ТКУ

 

ТКУ представляет собой электронный переключатель, предназначенный для коммутации цепи нагрузки.

Переключатель (рис. 3.1) содержит следующие основные части:

– силовой тиристор VS 1, включаемый последовательно с нагрузкой. Функцию VS 1 для мощных и высоковольтных переключателей может выполнять блок тиристоров, включенных последовательно или параллельно;

– блок выключения (БВ), который может быть включен или параллельно силовому тиристору или параллельно нагрузке, или последовательно с ней (последние два варианта включения БВ на структурно-функциональной схеме ТКУ (рис. 3.1) показаны пунктиром);

– блок управления переключателем (БУ);

– блок защиты (БЗ), объединяющий все элементы защиты переключателя от анормальных токов и напряжений.

Электрическая схема ТКУ, в которой вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS 2 блока выключения включен параллельно VS 1, приведена на рис. 3.2. Основой БВ является коммутирующий конденсатор , который заряжается после включения VS 1 через резистор . Полярность начального напряжения заряда на показана без скобок.

Рис. 3.1 Рис. 3.2 Рис. 3.3

 

Для выключения VS 1 подается управляющий сигнал на VS2 и током разряда тиристор VS 1 запирается. Далее происходит перезаряд через нагрузку до напряжения сети . Величина емкости , необходимая для выключения VS 1, рассчитывается по формуле

,

где – коэффициент, зависящий от вида нагрузки. Для чисто активной нагрузки , для активно-индуктивной – ;

– номинальный ток нагрузки;

– время выключения тиристора VS 1.

Существенным недостатком ТКУ, выполненном по схеме рис. 3.2, является значительные потери в резисторе R₃, особенно при периодической работе ТКУ. Кроме того, время готовности ТКУ для повторной коммутации определяется постоянной времени заряда конденсатора . Последняя возрастает из-за необходимости выбора таким, чтобы для автоматического выключения VS 2 его анодный ток был меньше тока удержания.

Улучшить энергетические и временные параметры ТКУ (рис. 3.2) можно используя для заряда дополнительный тиристор VS 3, который обеспечивает резонансный заряд конденсатора в контуре (рис. 3.3). Управление на VS 3 подается после включения VS 1. Такое решение усложняет схему управления ТКУ и приводит к так называемым схемам с двухступенчатой (двухтактной) коммутацией [10,11].

Использование резонансного процесса позволяет нормировать как начальный заряд , и так время коммутационного процесса выключения VS 1. Электрические схемы ТКУ с параллельной коммутацией, использующие такой принцип, представлены на рис. 3, 5.

Рис. 3.4 Рис. 3.5 Рис. 3.6

 

Управление ТКУ проводится в следующей последовательности. Предварительно включается тиристор VS 2 и происходит начальный заряд от сети через нагрузку. Полярность напряжения показана в скобках. Затем включается VS 1 при этом коммутируется нагрузка и одновременно происходит резонансный перезаряд в контуре VS 1- L _K- VD - C _K- VS 1. После перехода тока в контуре через ноль VD запирается, а полярность напряжения изменится на противоположную (указана без скобок). Для выключения VS 1 подается управление на VS 2, который включаясь, обеспечивает запирание VS 1 и восстановление начального заряда . Следовательно, схема (рис. 3.4) эффективна при циклической работе ТКУ.

Время коммутационного процесса составляет половину периода собственной частоты резонансного контура . Время, предоставляемое тиристору VS1 для восстановления запирающих свойств, определяется по формуле

,

где - максимальный ток в резонансном коммутирующем контуре.

Недостаток схемы (рис. 3.4) заключается в том, что основной тиристор VS 1 дополнительно нагружается током перезаряда . Исключить его можно, выделив контур перезаряда в отдельную цепь, управляемую с помощью дополнительного тиристора VS 3 (рис. 3.5). Последний должен включаться перед выключением VS 1, т. е. используется двухступенчатый коммутационный процесс.

Схема параллельной коммутации, когда блок выключения включается параллельно нагрузке, представлена на рис. 3.6. Пунктиром выделен вариант, в котором перезаряд не нагружает силовой тиристор VS 1. В этих схемах используется двухступенчатая коммутация.

Для нормальной работы ТКУ необходимо, чтобы напряжение начального заряда конденсатора . Время, предоставляемое тиристору VS 1 для восстановления запирающих свойств равно

.

Схемы ТКУ с последовательной коммутацией (БВ включен последовательно с нагрузкой) представлены на рис. 3.7, 3.8. Причем в схеме на рис. 3. 8 используется одноступенчатая коммутация. Нормальная работа ТКУ обеспечивается также при выполнении условия . Достоинство схем последовательной коммутации заключается в том, что коммутационный контур разделяется цепь питания и нагрузку. Это позволяет исключить влияние переходных процессов в этих цепях друг на друга.

Рис. 3.7 Рис. 3.8

Многообразие схем ТКУ, различающихся принципом построения блока выключения и его расположением в цепи силовой тиристор – нагрузка, можно найти в [10,11].