onetwoclick.ru
В прерывателях переменного тока обычно используются незапираемые тиристоры или симисторы.
Изменение полярности напряжения питающей сети обеспечивает выключение таких силовых приборов при уменьшении их токов до нуля. Таким образом, их недостаток, состоящий в том, что выключение с помощью импульсов управления невозможно, в прерывателях переменного тока нивелируется.
Более того, здесь указанное свойство может оказаться полезным, так как фактический разрыв силовой цепи без воздействия управляющих сигналов всегда происходит при почти нулевом токе, что снижает перенапряжения в случае индуктивной нагрузки (ниже этот вопрос рассмотрен подробней).
Прерыватели на тиристорах. Обратимся к прерывателю (рис. 4.8), подключенному к активной нагрузке с сопротивлением Ян.
Предполагаем, что входное напряжение — синусоидальное:
Система управления формирует в необходимые моменты времени импульсы для включения тиристоров. Через iyi и iy2 обозначены токи управляющих электродов.
В силовой электронике широко используют понятие угла управления. Применительно к рассматриваемому прерывателю углом управления называют угол сдвига по фазе между началом каждой положительной полуволны входного напряжения и соответствующим моментом включения тиристора, Г, а также равный ему угол сдвига по фазе между началом каждой отрицательной полуволны и соответствующим моментом включения тиристора, Пусть угол управления а равен нулю. Изобразим временные диаграммы (рис. 4.9), характеризующие прерывателя (хотя по оси абсцисс откладываются значения со/, такие диаграммы также называют временными, так как при постоянном значении со они также показывают развитие процессов во времени).
Так как а = О, в каждый момент времени один из тиристоров будет включен и напряжение иТ будет практически нулевым (как указывалось выше, напряжение на включенном тиристоре составляет примерно 1 В). Поэтому напряжение на нагрузке будет повторять входное напряжение.
Пусть а = 90 электрических градусов (эл. град.), что соответствует значению радиан (рад). В этом случае (рис. 4.10) действующее напряжение на нагрузке будет пониженным.
Очевидно, что при а 2 180 эл. град, напряжение на нагрузке будет нулевым.
Действующее значение ившх напряжения на выходе при измерении угла управления в радианах определяется выражением:
Эту зависимость называют регулировочной характеристикой. Фазовое регулированиеi рассмотренное на примере прерывателя на тиристорах, широко используется в силовой электронике. Оно характерно тем, что изменение напряжения на нагрузке достигается изменением угла управления.
Так как включение силовых приборов производится с помощью импульсов управления, фазовое регулирование называют также импульсно-фазовым управлением.
Недостатком устройств с фазовым регулированием является сильно отличающаяся от синусоидальной форма тока, потребляемого от сети (для активной нагрузки форма тока совпадает с формой напряжения м). 
Вследствие этого напряжение сети также искажается. ток содержит основную гармонику с частотой напряжения питающей сети и спектр высших гармоник. Первая гармоника тока отстает по фазе от напряжения питающей сети.
Если же угол управления — нулевой, то указанные искажения отсутствуют.
Использование импульсов управления обеспечивает включение тиристоров в строго заданные моменты времени и облегчает их режим работы. Однако достаточно часто используют простейшие схемы управления со сравнительно медленным нарастанием тока управления.
Обратимся к схеме с контактом кнопки или реле (рис.4.11).
При разомкнутом контакте S тиристоры не включаются. Пусть контакт замкнут, иа> 0 и тиристоры выключены. Тогда, в соответствии с изложенным. При этом будет протекать ток в цепи, содержащей следующие элементы: точка я, Z, А, S, цепь управления тиристора Г, (цепь управляющий электрод — катод), точка Б. Пренебрегая падением напряжения на диоде D2 и в цепи управления, получаем
По мере роста напряжения ивх этот ток будет увеличиваться и тиристор Тх включится. Тиристор Г2, находящийся под обратным напряжением, естественно, является выключенным. На его управляющем рп — переходе (управляющий электрод — катод) имеется обратное напряжение, равное по модулю падению напряжения на диоде D2 (примерно 0,7 В), поэтому iy2 = 0. После включения тиристора, Г, и Т «1 В, поэтому iyX ~ 0 (включение тиристора автоматически снимает сигнал управления). При изменении полярности входного напряжения тиристоры меняются ролями.
Из изложенного следует, что очередной тиристор включается при малом по модулю, но заметном напряжении ивх, что вызывает скачок тока в силовой цепи. Кроме прочего это создает помехи.
Таким образом, данная схема обеспечивает работу прерывателя при угле управления, близком к нулю, не позволяет плавно изменять действующее напряжение на нагрузке и дает возможность только включать ее или отключать. Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора (рис. 4.12).
Эта схема по своим свойствам полностью аналогична предыдущей. Но ток управления /у симистора VS может быть как положительным, так и отрицательным. Симистор включается, если исим > 0 (при этом iy< 0), а также если исым < 0.
Обратимся к схеме прерывателя на основе симистора с гальванической развязкой цепи управления и силовой цепи с помощью оптопары светодиод — фототиристор
(рис. 4,13).
В рассматриваемой схеме роль контакта играет фототиристор оптопары U, Если система управления обеспечит протекание тока id через светодиод оптопары, фототиристор включится, потечет ток /у (положительный или отрицательный) и симистр VS включится. Такая схема управления является несоизмеримо более быстродействующей в сравнении с контактными, но и она неспособна включать симистор точно в начале каждой полуволны питающего напряжения.
Более совершенные схемы управления формируют качественные, с крутыми фронтами импульсы управления вне зависимости от напряжения на тиристоре (симисторе). Они обеспечивают включение прибора и в самом начале каждой полуволны напряжения питания, и в любой другой момент времени (если в силовой цепи имеется необходимое напряжение). Прерыватели, в которых силовые приборы включаются точно в момент перехода питающего напряжения через ноль, называют устройствами с контролем перехода фазы коммутируемого напряжения через ноль. Уровень помех у них пониженный.
Защита силовых приборов в прерывателях от перенапряжений является важной проблемой, так как превышение допустимого напряжения может вызвать пробой и выход приборов из строя.
Одной из причин возникновения перенапряжений является наличие даже небольшой индуктивности нагрузки или соединительных проводов.
Обратимся к схеме с активноиндуктивной нагрузкой (рис. 4.14).
Рассмотрим подробно процесс выключения тиристора.Пусть в начале рассматриваемого малого отрезка времени тиристор включен, но ток / вследствие изменения входного напряжения стремится к нулю (рис. 4.15). В момент времени t напряжение ивх изменяет полярность. С некоторой задержкой, вызванной влиянием индуктивности L, изменит полярность также ток / (момент времени г2). Обратный (отрицательный) ток i будет протекать из-за наличия избыточных зарядов в полупроводниковой структуре тиристора.
К моменту времени /3 избыточные заряды настолько уменьшатся, что увеличение модуля тока / прекратится. Напряжение ит к этому моменту станет отрицательным и практически сравняется с напряжением ивх. С момента времени начнется быстрое уменьшение по модулю тока /, вызванное дальнейшим уменьшением избыточных зарядов, причем скорость изменения тока будет определяться внутренними процессами в тиристоре вне зависимости от параметров внешней цепи. Это приведет к скачкообразному росту обратного напряжения. Максимальное по модулю значение Uмакс этого напряжения определяется выражением, где производная тока по времени в момент времени.
Так как uex (t$) < О, > 0> модуль напряжения Uмакс равен сумме модулей напряжений uex(t3) и L. Напряжение Uмакс может оказаться чрезмерно большим по модулю, вполне достаточным для пробоя тиристора. К моменту времени г4 напряжение на тиристоре сравняется с входным напряжением. Для предотвращения пробоя тиристоров (симисторов) в прерывателях достаточно часто используют дополнительные элементы. Обратимся к рекомендуемой схеме включения отечественного прерывателя (твердотельного оптоэлектронного реле) 5П19.10ТСВ110012 (напряжение изоляции 4000 В, среднеквадратичное значение коммутируемого напряжения 630 В, пиковое значение коммутируемого напряжения 1200 В, среднеквадратичное значение коммутируемого тока 100 А, импульсный коммутируемый ток 1000 А при длительности импульса 10 мс) (рис. 4.16).
Рассматриваемое устройство имеет оптоэлектронную гальваническую развязку входной и силовой цепей.
Для защиты от перенапряжений используется ДС цепочка (Д и С) а также варистор R2 (нелинейный резистор, ток которого начинает быстро возрастать после достижения напряжением некоторого порогового значения). br> Энергия, запасенная в индуктивности, при выключении тиристоров поглощается варистором и /С цепочкой, и перенапряжение ограничивается. Естественно, указанные элементы ограничивают перенапряжения, вызванные и другими причинами (например, кратковременным увеличением напряжения ивх).
Реверсивные однофазные прерыватели фактически содержат два рассмотренных обычных (нереверсивных) прерывателя и обеспечивают, к примеру, изменение направления вращения однофазных электродвигателей.
Трехфазный прерыватель (рис. 4.17) по существу состоит из 3 однофазных прерывателей. Нагрузки могут быть соединены в звезду (рис. 4.17, а) или в треугольник (рис.4.17, б).
Реверсивные трехфазные прерыватели обеспечивают изменение направления вращения трехфазных электродвигателей.
Преимуществами бесконтактных переключающих устройств в сравнении с контактными являются: эвг..
• большая допустимая частота переключений,
• большой срок службы,
• искробезопасность и взрывобезопасность,
• бесшумность,
• простота обслуживания и малые эксплуатационные расходы.
