Основные схемы ТКУ

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

Переключатель (рис. 4.1) содержит следующие основные части:

– силовой тиристор VS1, включаемый последовательно с нагрузкой. Функцию VS1 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. 4.1) 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 VS2 блока выключения включен параллельно VS1, приведена на рис. 4.2. Основой БВ является коммутирующий конденсатор , который заряжается после включения VS1 через резистор . Полярность начального напряжения заряда на показана без скобок.

Рис. 4.1 Рис. 4.2 Рис. 4.3

Для выключения VS1 подается управляющий сигнал на VS2 и током разряда тиристор VS1 запирается. Далее происходит перезаряд через нагрузку до напряжения сети . Величина емкости , необходимая для выключения VS1, рассчитывается по формуле

,

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

– номинальный ток нагрузки;

– время выключения тиристора VS1.

Существенным недостатком ТКУ, выполненном по схеме рис. 4.2, 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 VS2 его анодный ток был меньше тока удержания.

Улучшить энергетические и временные параметры ТКУ (рис. 4.2) можно используя для заряда дополнительный тиристор VS3, который обеспечивает резонансный заряд конденсатора в контуре (рис. 4.3). Управление на VS3 подается после включения VS1. 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 VS1. Электрические схемы ТКУ с параллельной коммутацией, использующие такой принцип, представлены на рис. 4, 5.

Рис. 4.4 Рис. 4.5 Рис. 4.6

Управление ТКУ проводится в следующей последовательности. Предварительно включается тиристор VS2 и происходит начальный заряд от сети через нагрузку. Полярность напряжения показана в скобках. Затем включается VS1 при этом коммутируется нагрузка и одновременно происходит резонансный перезаряд в контуре VS1-L_K-VD-C_K-VS1. После перехода тока в контуре через ноль VD запирается, а полярность напряжения изменится на противоположную (указана без скобок). Для выключения VS1 подается управление на VS2, который включаясь, обеспечивает запирание VS1 и восстановление начального заряда . Следовательно, схема (рис. 4.4) 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. 4.4) заключается в том, что основной тиристор VS1 дополнительно нагружается током перезаряда . Исключить его можно, выделив контур перезаряда в отдельную цепь, управляемую с помощью дополнительного тиристора VS3 (рис. 4.5). Последний должен включаться перед выключением VS1, т. е. используется двухступенчатый коммутационный процесс.

Схема параллельной коммутации, когда блок выключения включается параллельно нагрузке, представлена на рис. 4.6. Пунктиром выделен вариант, в котором перезаряд не нагружает силовой тиристор VS1. В этих схемах используется двухступенчатая коммутация.

Для нормальной работы ТКУ необходимо, чтобы напряжение начального заряда конденсатора . Время, предоставляемое тиристору VS1 для восстановления запирающих свойств равно

.

Схемы ТКУ с последовательной коммутацией (БВ включен последовательно с нагрузкой) представлены на рис. 4.7, 4.8. Причем в схеме на рис. 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. 4.7 Рис. 4.8

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