Коммутатор для цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Технические науки

УДК 621.314

КОММУТАТОР ДЛЯ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ

С.В. Пустынников

Томский политехнический университет E-mail: [email protected]

Проанализирована работа тиристорного коммутатора для размыкания цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой. Получены расчетные соотношения для напряжения заряда рабочих конденсаторов и времени размыкания при заданных параметрах размыкаемой цепи и тиристорного коммутатора. Результаты расчета подтверждены экспериментально.

В [1] показано, что размыкание цепей постоянного тока с индуктивностью за время Д/^0 приводит к изменению потокосцепления индуктивности от начального значения Х¥=Ы0 до нуля. При этом теоретически в индуктивности возникает импульс

перенапряжения ul =

d У dt

бесконечной величины.

На практике коммутация цепей постоянного тока, содержащих индуктивную нагрузку или имеющих внутреннюю индуктивность - линий электропередач, линий связи, цепей с генераторами и двигателями постоянного тока и т.д., осуществляется при помощи электромеханических устройств - пускателей, контакторов и т.п., имеющих конечное время срабатывания Д/, что сопровождается возникновением дуги на размыкающих контактах, а также перенапряжением на индуктивности, в 5...7 раз превышающем напряжение источника питания.

Автором было разработано устройство для размыкания цепей постоянного тока с внутренней индуктивностью или с индуктивностью в виде сопротивления нагрузки, на основе тиристоров (рис. 1), которое не имеет электромеханических коммутаторов [2].

Рис. 1. Принципиальная схема тиристорного коммутатора

Подключение нагрузки ¿н к источнику постоянной ЭДС Е осуществляется при помощи тиристора VS1, при этом ток течет через нагрузку ¿н, тиристор VS1, и последовательно включенные индуктивно-связанные катушки ¿1 и ¿2, которые имеют согласное включение и одинаковые параметры. Известно, что для отключения тиристора необходимо обеспечить переход тока в нем через нулевое значение, поэтому при отключении нагрузки от источника срабатывает тиристор VS2, который приводит к разряду двух одинаковых конденсаторов С1 и С2, предварительно заряженных от внешнего источника напряжения (не показан) до одинакового напряжения

через индуктивно-связанные катушки ¿1 и ¿2, включенные при разряде конденсаторов встречно. При этом потокосцепление в катушке индуктивности ¿2 уменьшается до нуля, и ток в тиристоре VS1 переходит через нулевое значение, что приводит к отключению тиристора VS1 и к размыканию цепи с нагрузкой ¿н. Запасенная в нагрузке энергия шунтируется диодом VD1. Преимуществом данной схемы является то, что на переходный процесс при разряде конденсаторов не оказывают влияние параметры нагрузки ¿н. Очевидно, что параметры конденсаторов С1 и С2, а также индуктивностей ¿1 и ¿2 должны обеспечивать колебательный переходный процесс, который с учетом одинаковых значений разрядных токов в конденсаторах при встречном включении индуктивностей будет описываться дифференциальным уравнением для тока ¡ь в тиристоре ^1:

L ■ C ■

d-lL + R ■ C ■ + Il = 0.

dt2

dt

Здесь ¿=¿1-M; С=С1; Я - активное сопротивление каждой из катушек индуктивности;

- взаимная индуктивность, где 0<£<1 - коэффициент связи катушек. Решение данного уравнения согласно классическому методу расчета переходных процессов [3] записывается в виде суммы принужденной и свободной составляющих:

1ь = '¿пр + Ьс = I + А • е• 8т(юс„ • ' + у),

где А и у - постоянные интегрирования, 5 - коэффициент затухания, а юсе - угловая частота колебаний тока свободной составляющей. Принимаем величины тока в индуктивности и напряжения на емкости до коммутации тиристора VS2: /¿(0-)=/; иС(0-)=и, из характеристического уравнения ¿ СР2+Я-С-Р+1=0 определим

8 =-

R

2 ■ L

, =

1

R2

L ■ C 4 ■ L2

Условием колебательного переходного процесса

1 П 2

является неравенство ьС > л п ' следовательно Ь •с 4 • Ь

для параметров индуктивностей должно выполняться условие Ь > П ^ с. Напряжение на индуктивности в первый момент времени /=0+ после коммутации определим по второму закону Кирхгофа:

и^0+)=-ис(0-)-^(0-) • Я=-и-1 Я.

Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 7

Постоянные интегрирования найдем из решения системы двух уравнений в момент времени t=0+:

1ь (0-) = I + A ■ sin/;

ul(0+) = -S ■L ■A ■sin/ + L ■mce ■ A^ cos/;

откуда получаем: /=0, A = -

U +1 ■ R

L

1 R2

Ь ■ С 4 ■ Ь2

окончательно ток переходного процесса в тиристоре У81 составит:

ÍL = I-

U +1 ■ R

L ■

1 R

1 R2

\Ь ■ С 4 ■ Ь2

\Ь ■ С 4 ■ Ь 4

Поскольку у=0, то переход тока через нулевое значение осуществляется за время

Т

+ _ се

1 = 4 '

где Т = - период колебаний тока свободной

а

се

составляющей, откуда получаем

tl =

1,57

R2

L ■ C 4 ■ L2

при этом 8т(осД)=1. Из условия равенства ¡¡=0 определим величину напряжения заряда конденсаторов, обеспечивающего выполнение данного условия при заданных параметрах схемы Я^,С, а также при известном токе I:

U = I AL

1

R

2 -JL,

L ■ C 4 ■ L

-Rt

2 L1 - R

U «I

■JL; t1«1,57 ■JTc.

Так, например, при ¡=0,1 Гн, С=500 мкФ, Я=0,1 Ом для размыкания цепи с током 1=100 А, независимо от величины индуктивности нагрузки ¡н, рабочее напряжение конденсаторов будет равно и=1414 В, время размыкания цепи составит /1=0,011 с.

Экспериментальные исследования модели ти-ристорного коммутатора были проведены при по-

мощи программы Electronics Workbench для схемы, рис. 2, с индуктивной нагрузкой LH=5 Гн, рабочим напряжением источника питания U =200 В. Ток в нагрузке I составлял102 А.

Рис. 2. Экспериментальная схема тиристорного коммутатора

На рис. 3 показана осциллограмма тока размыкаемой цепи. Время перехода тока через нулевое значение (средняя линия на экране осциллографа) с момента срабатывания ключа составляет /[=0,011 с, что полностью совпадает с результатами расчета. В данной схеме отсутствует тиристор \Б1, поэтому ток нагрузки после разряда конденсаторов восстанавливает своё первоначальное значение.

При небольших значениях Я в сильноточных цепях постоянного тока получаем приближенные расчетные формулы для напряжения заряда конденсаторов и времени коммутации тиристора

VM 10.2041

Т2-Т1 7 10.6400 145 YA2-YA1 14.2005 mV YE.2-VB1 _

Рис. 3. Осциллограмма тока в нагрузке

Таким образом, исследованная схема тиристор-ного коммутатора может быть использована при коммутации электросиловых цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой или внутренней индуктивностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Галинский П.П., Кононов А.П. и др. Теоретические основы электротехники в задачах. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1975. - 294 с.

2. Пат. 2257004 РФ. МПК7 Н03К 17/00. Тиристорный выключатель постоянного тока / С.В. Пустынников. Заявлено 25.05.2004; Опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20. - 2 с.: ил.

3. Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др. Основы теории цепей. - М.:

Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.