Тиристорный прерыватель постоянного тока Советский патент 1984 года по МПК H03K17/72 

Физ. 1 Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в устройствах регулирования тока в тиристорных электроприводах.. Известен тиристорный прерыватель постоянного тока, содержащий рабочий тиристор и нагрузку, в котором параллельно рабочему тиристору включена, последовательная цепь, состоящая из индуктивности и нелинейного ре зистивного элемента, ттараллельно укаг завкому элементу включена цепь коммутации, состоящая из последовательно включенных коммутирующего тиристора иконденсатора,при этом нагрузка шунтирована обратным диодомС. Недостатком этого устройства является низкая динамическая устойчивость при изменении характера и величины на грузки и низкий КПД из-за потерь энер гии Б коммутирующих элементах в режим холостого хода. Наиболее близким по технической сущ ности к изобретению является тиристор ный прерыватель постоянного тока, содержащий рабочий тиристор, включенный последовательно с нагрузкой, коммутирующую цепь из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующего тиристора, подключенную параллельно рабочему тиристору, перезарядную цепь из последовательно включенных дросселя и вспомогательного тиристора и обратный вентиль, включенный параллельн нагрузке 2 . Однако это устройство также имеет низкую динамическую устойчивость и низкий КПД, так как надежность коммутации ограничена напряжением на комму тирующем конденсаторе и не зависит от тока нагрузки, а КПД - потерями в эле ментах коммутации, которые почти не изменяются с уменьшением мощности в нагрузке. Цель изобретения - по1вьппение динамической устойчивости и КПД. Поставленная цель достигается тем, что в тиристорный прерыватель постоян ного тока, содержащий рабочий тиристор, включенный последовательно с нагрузкой, коммутирующую цепь из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующего тиристора, подклю-;енную параллельно рабочему -тиристору, перезарядную цепь конденсатора из последовательно включенных, дросселя и вспомогательного тиристора и обратный вентиль, включенный параллел но нагрузке, введены пороговый элемент, интегрирующая RC-цепь, параметрический стабилизатор и коммутирующий диод, при этом управляющий электрод обратного вентиля через пороговый элемент соединен с выходок интегрирующей КС-цепи, вход которой соединен с выходом параметрического стабилизатора, а его вход через коммутирующий диод соединен с анодом обратного вентиля. Кроме того, параллельно дросселю между катодом рабочего тиристора и катодом вспомогательного тиристора включена последовательная цепь, которая состоит из первого и второго стабилитронов, резистора и дополнительного коммутирующего диода, причем точка соединения первого и второго стабилитронов соединена с управляющим электродом рабочего тиристора. На фиг.1 показана принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.2 - эпюры напряжений и токов основных точек схемы. Устройство содержит рабочий тиристор 1, включенный последовательно с источником 2 питающего напряжения и нагрузкой 3. В качестве нагрузки 3, например, используется двигатель постоянного тока. Параллельно рабочему тиристору 1 подключена коммутирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных тиристора 4 и конденсатора 5. Параллельно конденсатору 5 подключена перезарядная цепь из тиристора 6 и дросселя 7, параллельно которому, в свою очередь, под- соединена ограничивающая цепочка. Она состоит из последовательно соединенных диода 8, резистора 9 и двух стабилитронов 10 и 11, параллельно последнему из которых подключен управляющий электрод рабочего тиристора 1. Параллельно нагрузке 3 включен обратный вентиль 12, к управляющему электроду которого через последовательно соединенные интегрирующую RC-цепь из резистора 13 и конденсатора 14 и пороговый элемент, например стабилитрон 15, подключен выход параметрического стабилизатора постоянного напряжения, состожпин из резистора 16 и стабилитрона 17. Вход этого стабилизатора через диод 18 подключен параллельно нагру-же 3. Управляющие электроды THpiiiTcipoB 4 и 6 подключены к схеме 19 упрлпления. 3109540 Устройство работает следующим образом. Схема 19 управления после включения начинает вьфабатывать две последовательности импульсов (фиг.2а,б),5 которые имеют небольшой начальный фазовый сдвиг t . Причем опережающая последовательность (фиг.2а) поступает на вход тиристора 6, а отстающая (фиг.2б) - на вход тиристора 4. 10 Устройство не критично к тому, какая из импульсных последовательностей {фиг.2а,б) поступит на него вначале. Так как в исходном положеНИИ конденсатор 5 не заряжен, то с ts приходом в момент времени t , например, импульса на вход тиристора 6 выходного тока в нем не появится. Далее в момент времени 2 приходом , импульса на вход тиристора 4 происхо- 2G дит его включение и по контуру 4-5-3-2 начинает протекать ток, заряжая конденсатор 5 напряжением, полярность которого указана без скобок. Диаграммы напряжения и тока конденсатора и на- 25 грузки представлены соответственно на фиг.2в,г,д,е. Если не было бы активньк потерь в контуре заряда, то напряжение на конденсаторе в конце этого процесса в момент времени i бьшо Q бы в 2 раза больше напряжения источника питания. В практической схеме оно составляет около 1 ,8 (J, В момент времени t опять поступает открывающий импульс на вход тиристора 6 и через него и дроссель 7 происходит колебательный процесс перезарядкь конденсатора 5 до полярности, указанной на фиг.1 в скобках. В мо. мент времени t схема 19 управления опять открывает тиристор 4 и через него и далее по контуру 4-5-3-2 происходит колебательный процесс перезарядки конденсатора 5 до еще большего напряжения на величину,почти равную Uyj. , гак как вначале процесса источник 2 «. конденсатор 5 по полярности своих напряжений включены согласно в перезарядном контуре. В следующий момент времени tg схема 19 управления открывает тиристор 6 и происходит очередная перезарядка конденсатора 5 через дроссель 7. Качественно ничего нового в рассмотренных процессах не происходит 5,5 до тех пор, пока напряжение на конденсаторе 5 не превзойдет рпределенньм уровень -U(, . I который обеспечивает 74 с заданнымзапасом его способность скоммутировать рабочий тиристор 1. Величина1{, . устанавливается подбором напряжения стабилизации стабилитронов 10 и 11. Допустим, к моменту времени -fcj напряжение на конденсаторе 5 превысило этот уровеньи,, за предыдущий перезаряд t,--t (фиг,2в) . Тогда в момент времени t в стабилитроны 10 и 11 по цепи 8-9-10-11 потачет ток. Напряжение на стабилитррне 11, приложенное к управляющему переходу тиристора 1, откроет его обеспечит прохождение тока от источника 2 питающего напряжения через тиристор 1 к нагрузке 3. Затем через интервал времени который должен быть не меньш определенной величиныТ . , со схемы управления поступает очередной открывающий импульс на вход тиристора 4. Величина V - обусловлена временем перезарядки Конденсатора 5 через дроссель 7(tg-tg) и временем восстановления запирающих свойств тиристора 6. с открытием тиристора 4 в момент , вpeмeниt..кoндeнcaтop 5 создает встреч- ную коммутирующую составляющую тока через тиристор 1, которая превосходит Г по величине основной рабочий ток ти- . ристора 1 и он практически мгновенно закрывается. Конденсатор 5, перехватив ток нагрузки с тиристора 1, начинает перезаряжаться по цепи 2-4-5-3. Если пренебречь падением напряжения на открытом тиристоре 4, то в любой момент этого перезарядного процесса ( - t.-j ) напряжение на нагрузке 3(Up) равно сумме напряжений источника 2 питания {U,v,.) и конденсатора 5 (Uc) H ист сПитающее напряжение схемы постоянно(иц con5-ti, поэтому характер изме-нения напряжений U и Uj. одинаковьй. Из уравнения видно, что в момент времени t, полного разряда конденсатора 5 Uj О, напряжение на нагрузке и,- . При дальнейшей перезарядке конденсатора 5 до питающего напряжения и, U, в момент време . И О I ни зпр-яжение нанагрузке равно нулю. В течение времени рядка конденсатора 5 осуществляется реактивным током нагрузки, напряжение которой начинает расти с нуля в обратном направлении. Обратная полярность напряжения на нагрузке является открывающей для диода 18, через которьй и далее через резисторы 16 и 13 с момента времени i: начинается процесс зарядки конденсатора 14. Как только его напряжение превзойдет уровень пробоя порогового элемента 15()s момент времени .л последний пробивается и разряжает конденсатор 14 через управляющий переход обратного вентиля 12, открывая его. При этом обратный вентиль 12 перехватывает ток нагрузки, обрывая процесс зарядки конденсатора 5 реактивным током нагрузки 3. Для стабилизации интервапа задержки fg включения обратного вентиля 12 с момента перехода через нуль напряжения нагрузки включен стабилитрон 17, который совместно с резистором 16 образует схему парамет рического стабилизатора постоянного напряжения. С его выхода через рези тор 13 осуществляется зарядка конденсатора 14. Ввиду того, что интервал времени за который напряжение нагрузки 3 возрастает от нуля до порога стабилизации параметрического стабилизатора,достаточно мал по,абсолютной величине и малы ег изменения в зависимости от варьирования нагрузки, то режим зарядки кон денсатора 14 до уровня срабатывания TioporoBoro элемента 15 U , а ста ло быть и создаваемая задержка включения обратного вентиля 12 ( Г ) остаются постоянными но всем диапазо не изменения нагрузки и выходного на пряжения прерывателя. После открытия обратного вентиля 12 в момент времени i.- ток нагрузки, замкнутый через него, начинает спадать по экспоне те (фиг.2д). Далее в момент времени-t c со схемы 19 управления поступает очередной открывающий импульс на вход тиристора 6 и повторяются все процессы в схеме,имеющие место на рабочем интер-; JQ вале времени t,-t,.. . Изменением фазы между импульсами управления тиристорами 4 и 6 осуществляется регулирование среднего значения выходного напряжения и тока нагрузки устройства. На интервале времени-t n показаны эпюры выходных напряжения и тока нагрузки прерывателя для предельного запаздывания входных открывающих импульсов тиристора 4 относительно импульсов тиристора 6. Итак, предлагаемое устройство обеспечивает постоянство интервала дозарядки конденсатора 5 в конце коммутационных процессов. При этом с ростом нагрузки увеличивается и реактивный ток дозаряда конденсатора. При постоянном времени дозарядки в соответствии с известным соотношением параметров конденсатора cSap с . с с ответственно напряжение, заряд, емкость, зарядный ток и интервал заряда конденсатора, с ростом тока будет пропорционально возрастать и напряжение и . Это позволяет увеличить коммутирующую способность и динамическую устойчивость устройства. Кроме того, в известных устройствах в качестве обратного вентиля обычно используется диод, поэтому коммутирующий конденсатор перезаряжается в конце коммутационных процессов до определенного неизменного уровня независимо от любых регулировок и изменений выходного напряжения и .нагрузки. Это приводит к выбору величины емкости коммутирующего конденсато ра по наиболее тяжелому режиму пагрузки, чтоснижает КПД цепи коммутации и устройства в целом. В предлагаемом устройстве за счет обеспечения прямо пропорциональной зависимости коммутирующей способности от изменения нагрузки (ее тока) удается в 2-3 раза по сравнению с известными схемами уменьшить емкость коммутирующего конденсатора и коммутационные потери, увеличив на 5-10% КПД.

1. ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий рабочий тиристор, включенньй последовательно с нагрузкой, коммутирующую цепь из последовательно соединенных конденсатора и коммутирующего тиристора,подключенную параллельно рабочему тиристору, перезарядную цепь конденсатора из последовательно включенных дросселя и вспомогательного ти- ристора и обратный вентиль, включенный параллельно нагрузке, отличающийся тем, что, с целью повышения динамической устойчивости и КПД,в него введены пороговый элемент, интегрирующая RC-цепь, параметрический стабилизатор и коммутирующий диод, при этом управляющий электрод обратного вентиля через пороговый элемент соединен с выходом интегрирующей КС-цепи, вход которой соединен с выходом параметрического стабилизатора, а его вход через коммутирующий диод соединен с анодом обратного вентиля. 2. Прерыватель по п.1, о т л ичающийся тем, что параллельно дросселю между катодом рабочего ти§ ристора и катодом вспомогательного тиристора включена последовательная (Л цепь, которая состоит из первого и второго стабилитронов,резистора . и дос: полнительного коммутирующего диода, причем точка соединения первого и второго, стабилитронов соединена с управляющим электродом рабочего тиристора. со С71 Jiik