Аппараты переменного тока на полностью управляемых ключах

В последнее время на основе полностью управляемых полупроводниковых приборов разработаны электронные аппараты на различные токи с очень высоким быстродействием и практически неограниченным ресурсом работы. При этом становится возможным коммутировать силовые цепи за время, не превышающее десяти микросекунд, т.е. практически мгновенно относительно скорости изменения аварийных токов и напряжений в промышленных сетях. В качестве ключей в электронных аппаратах переменного тока используются силовые биполярные и МОП-транзисторы, запираемые тиристоры и бурно прогрессирующие биполярные транзисторы с изолированным затвором. В то же время быстрая коммутация электрических цепей вызывает определенные проблемы, связанные с наличием в коммутируемых цепях индуктивностей и выводом накопленной в них энергии при коммутации. Рассмотрим эти процессы более подробно на примере отключения нагрузки однофазной цепи переменного тока.

На рис. 14.10 представлены схема однофазного коммутационного аппарата, выполненного на основе транзисторов, и диаграммы, иллюстрирующие процессы изменения тока и напряжения при его отключении. Аппарат состоит из двух нар ключей на транзисторах со встречно включенными диодами: VT1, VT2, VD1, VD2 и VT3, VT4, VD3, VD4. Учитывая, что время выключения транзисторов мало по сравнению со временем изменения тока и напряжения, можно считать, что на интервалах выключения любого из транзисторов VT1 или YF2 ток нагрузки iH и входное напряжение практически постоянны. В этом случае электромагнитные процессы в схеме будут сходны с процессами отключения статическим аппаратом цепи постоянного тока (см. гл. 13). Функцию обратного диода, замыкающего ток активно-индуктивной нагрузки, в данном случае выполняют транзисторы VT3, VT4 и диоды VD3 и VD4, включение которых должно выполняться синхронно с выключением транзисторов VT1 и VT2. Следует отметить, что внутреннее сопротивление источника переменного тока (генератора, трансформатора и др.) обычно имеет индуктивный характер, поэтому на рис. 14.10, а оно представлено эквивалентной индуктивностью Lc. Последняя оказывает существенное влияние на процесс выключения апнарата, так как при этом возникает задача вывода накопленной в ней энергии для исключения (ограничения) перенапряжений на выключающихся ключах VT1 и VT2. Чаще других применяют способ вывода путем рассеивания в энергопоглотителях — варисторах или стабилитронах. В настоящее время наиболее энергоемкими являются ограничители перенапряжения ОНИ на основе оксидно-цинковых варисторов. Такие ОНИ имеют высокое быстродействие и нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет эффективно ограничивать перенапряжения на заданном уровне за счет поглощения значительной доли энергии, накопленной в индуктивностях сети. Встречно включенные стабилитроны или варистор могут устанавливаться как непосредственно на входе аппарата, так и параллельно ключам.

Рассмотрим выключение транзисторного аппарата более подробно. Предположим, что ток гн протекает через включенные транзистор VT1 и диод VD2 и в момент времени tx поступают сигналы на его запирание и одновременно на включение транзистора VT4. В результате перенапряжений, возникающих на индуктивностях Lc и LH при выключении транзистора VT1, варистор VAR пробивается и начинает проводить входной ток iVAR, протекающий через индуктивность Lc. Одновременно должно происходить включение транзистора VT4 с диодом VD3, которые шунтируют ток нагрузки гн. Этому процессу соответствует эквивалентная схема (рис. 14.10, б, в), в которой варистор представлен источником напряжения UVAR, включенным встречно источнику питания. Ток в варисторе iVAR будет уменьшаться при отрицательной сумме ЭДС контура. Обычно выбирают UVAR = (1,5—2)t/max, где f/max — максимальное значение сетевого напряжения. Полагая, что напряжение в сети за время спада тока iyAR до нуля изменится незначительно, можно записать

В процессе спада тока энергия, накопленная в индуктивности Lc, будет рассеиваться в варисторе. На этом временном интервале варистор также дополнительно получает энергию источника питания. В наиболее неблагоприятном случае (при f/max) энергию, выделяемую в варисторе, можно выразить следующим соотношением:

где iVAR0 значение тока, протекающего через индуктивность 1(. в момент коммутации (?t).

Обычно время спада тока варистора значительно меньше времени спада тока активно-индуктивной нагрузки. Поэтому после спада тока iVAR до нуля и восстановления сетевого напряжения на варисторе цепи нагрузки оказываются отключенными от источника сетевого напряжения. Однако в нагрузке будет протекать ток, обусловленный выводом энергии из индуктивности нагрузки. Этот ток замыкается через шунтирующий ключ и спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени т = Lu/Rn.

Транзисторный аппарат переменного тока

Рис. 14.10. Транзисторный аппарат переменного тока:

а — схема силовой части; б — схема замещения на интервале отключения; в — диаграммы работы

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >