в качестве исполнительных элементов схемы защиты хорошо зарекомендовали себя емкостные прерывающие устройства. Они могут быть использованы для прерывания тока как через специальные тиристоры, включенные между источником питания и генераторным устройством, так и через рабочие тиристоры генераторного устройства.

Для первого случая простейшая схема изображена на рис. 6-12. В ней конденсатор Сп предварительно заряжается от независимого источника £„. При приходе управляющего импульса от датчиков защиты вспомогательный тиристор схемы защиты Т2 открывается, и через него и конденсатор Сп на катод тиристора защиты Т1 поступает запирающее напряжение Е-Е. Тиристор Т1 запирается практически мгновенно. Затем происходит перезаряд конденса-

Рис. 6-12. Простейшая схема Рис. 6-13. Схема электронной защи-электронной защиты ты с резонансным контуром

тора Сп через тиристор Т2, конденсатор фильтра источника питания Сф и внутреннее сопротивление генератора/?г- При этом напряжение Mai на тиристоре Т1 становится равным напряжению на конденсаторе Сп и определяется выражением

(£о--£п)Сф L Сф + Сп

Сз = СфСп/(Сф + Сп).

(6-67)

Напряжение должно быть отрицательным в течение времени, достаточного для выключения тиристора Т1.

Если выполняется условие Сп < Сф, то, приравняв выражение (6-67) нулю и положив в нем t = 4. „ом. где 4. - номинальное время выключения, можно найти минимальную емкость Сп, необходимую для выключения тиристора Т1:

С„ =-.-=-tj- g.g8y

/?г1п(1 + £п/£о) Е,\п{\-\-Еп1Ео)

где /з = EjRr - ток срабатывания защиты.

Тиристор Т2 закроется в момент, когда конденсатор Сп перезарядится до напряжения источника питания и величина ис станет равной £"0. Из выражения (6-67) можно определить время срабатывания 4 схемы защиты:

ta = 3EoCJh. (6-69)

Недостатком рассмотренной схемы является скачкообразное нарастание тока через тиристор Т2, что требует использования тиристоров с большой допустимой скоростью нарастания тока. Если считать что ток через тиристор нарастает по линейному закону, то справедливо соотношение

Ip, max = /а щ/с. т1. (6-70)

где Sin, Si max -соответственно допустимая и максимальная крутизны тока тиристора Т2\ 4. т i - время спада тока тиристора Т1.

Этого недостатка лишена схема, в которой последовательно с конденсатором Сп включена катушка (рис. 6-13), индуктивность которой определяется приближенно выражением

1„>£п/5.-д, (6-71)

где Si„ - допустимая для тиристора крутизна тока.

После запирания тиристора Т1 конденсатор Сп продолжает разряжаться по цепи: Е, тиристор Т2, конденсатор фильтра источника питания, генератор с внутренним сопротивлением R.

Емкость Сп может быть определена приближенно из выражения

" 2£п {0 [ 1 + Яо/(2Яп)]/(/з) - LJh. ном} а время срабатывания защиты - из выражения

(6-72)

(6-73)

£п[1 + ео/(2п)]

Из формул (6-72) и (6-73) видно, что увеличение индуктивности Ln влечет за собой возрастание величин Сп и 4- Поэтому величину Ln следует выбирать минимально допустимой.

Конденсатор Сп в рассмотренных выше схемах защиты может заряжаться либо от источника питания генераторного устройства, либо от автономного источника. Практически емкости в схемах защиты следует брать несколько большими, чем они получаются по приведенным выше выражениям, поскольку тиристор ГУ запирается все-таки не мгновенно. Необходимое увеличение емкости Сп можно определить из равенства

Сп=- "

23 (вкл + *зап)

ЗСпп

где t

время включения проходного тиристора; t

. зап - время

восстановления его запирающих свойств в обратном направлении; k = lmolh - отношение амплитуды импульса обратного тока к прямому току, зависящее от типа тиристора и его режима работы.

В случае использования емкостных прерывающих устройств для прекращения тока непосредственно через рабочие тиристоры генераторов последние превращаются в инверторы с принудительной коммутацией. При этом по сравнению с рассмотренными выше

схемами защиты общее число тиристоров увеличивается и габариты всего устройства возрастают.

Для повышения надежности работы защиты часто одновременно с прерыванием тока через проходные или рабочие тиристоры прекращают подачу управляющих импульсов на рабочие тиристоры.

Описанные схемы защиты не оптимизированы для импульсных режимов работы и не предусматривают автоматического включения генератора после устранения аварийного состояния. В указанных целях может быть применена несколько более сложная схема, работа которой описывается ниже (рис. 6-14). Эта схема имеет также следующие достоинства: она полностью автономна и не требует специальных устройств типа «пуск» и «остановка», предназначен-

Рис. 6-14. Схема электронной защиты с повторным автоматическим включением генератора

ных для включения и выключения защитного устройства; в паузах между импульсами генератор отключен от источника питания; обеспечивается автоматическое повторное включение генератора после срабатывания защиты при условии ликвидации аварийного режима; питание защиты и генератора осуществляется от одного источника при сохранении эффективности защиты в период переходных процессов включения.

Схема защиты состоит из тиристорного прерывателя, включающего в себя проходной тиристор Т1, шунтированный резистором /?з, тиристор Т2, конденсатор Cj; цепи управления проходного тиристора (на рис. 6-14 она обведена штриховыми линиями), которая обеспечивает в импульсном режиме работы автоматическое включение тиристора Т1 при подаче на защищаемое устройство импульсов управления, и резистора через который заряжается конденсатор Cj.

Цепь управления состоит из последовательно включенных трансформатора Тр, шунтированного диодом Д1, с которого управляющие импульсы поступают на тиристор Т1; диода Д2 и цепи задержки, представляющей собой стабилитрон ДЗ и конденсатор С, включенный параллельно резистору R.

В момент подачи импульсов управления на тиристоры генератора кон-

денсатор Са заряжается через генератор, обмотку трансформатора Тр, диод Д2 и цепь задержки от предварительно заряженного конденсатора Cj. Поскольку емкость конденсатора Cg выбирается много меньше емкости С (обычно на два порядка), то он заряжается быстро, а напряжение на конденсаторе Ci при этом практически остается неизменным. Ток заряда протекает через первичную обмотку трансформатора Тр и создает на его вторичной обмотке импульс, используемый для отпирания проходного тиристора Т1. Минимальная скорость заряда конденсатора будет ограничиваться минимальной длительностью импульсов управления тиристора Т1. Тиристор Т1 отпирается, и генератор (инвертор) подключается к источнику питания на время длительности рабочего импульса. По окончании импульса ток через тиристор Т1 прекращается, и он выключается. При следующем импульсе процесс повторяется.

Аварийное отключение генератора от источника питания происходит, когда на управляющий электрод тиристора Т2 поступает импульс с датчика сигнала аварии (с последовательного или параллельного резистора).

При включении тиристора Т2 конденсатор Ci разряжается через проходной тиристор Т1. Последний выключается и отсоединяет генератор от источника питания. Конденсатор Ci начинает заряжаться от источника питания через резисторы Rx и R. Значения их сопротивлений следует выбирать таким образом, чтобы конденсатор Ci успел полностью зарядиться за время паузы между импульсами.

Цепь задержки не позволяет цепи управления проходного тиристора сформировать управляющий импульс до тех пор, пока конденсатор Сх не запасет необходимую для аварийного выключения энергию. В качестве элемента задержки используется стабилитрон ДЗ, который включается, как только конденсатор Ci зарядится до достаточного напряжения. Для этой же цели может быть использована показанная на рис. 6-15 специальная цепь, подключаемая к точкам а м b (рис. 6-14) вместо цепи ДЗ, Cg, R2, Д1. В этом случае сопротивление резистора R и емкость конденсатора С3 выбираются так, что заряд конденсатора Cg от источника питания через резисторы /?8 происходит медленнее заряда конденсатора Cj. Поэтому при включении генератора (инвертора) импульсом управления конденсатор Сз разряжается через первичную обмотку трансформатора Тр и диод Д2, а ток разряда индуцирует во вторичной обмотке трансформатора напряжение, отпирающее проходной тиристор Т1, после того как конденсатор Ci запасет необходимую энергию. При аварийном выключении генератора конденсатор Сз разряжается через цепь Д4, Т2.

Рис. 6-15. Цепь с дополнительным диодом

6-4. Особенности расчета электрических элементов инверторных схем

В данном параграфе рассматриваются особенности расчета входящих в схему инвертора коммутирующих конденсаторов и дросселей и выходных согласующих трансформаторов. Материалы приводятся по результатам специально проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Выбор коммутирующих конденсаторов. Задача состоит в выборе типа конденсатора с учетом допустимого для заданных условий его рабочего напряжения (/р.

Коммутирующие конденсаторы используются в инверторах в широком диапазоне рабочих частот / и скважностей работы q, причем

р+А, (6-74)

где /р - полное время работы за один цикл при повторно-кратковременном режиме; 4 - полное время пауз между рабочими импульсами за один цикл. При непрерывном режиме работы 4 = 0 и = 1.

Номинальное напряжение (/„ом нормируется для фиксированной частоты. С повышением частоты допустимое значение приходится существенно снижать относительно (/ном во избежание теплового пробоя диэлектрика конденсатора; с повышением скважности q значение можно в общем случае увеличивать пропорционально члену YЯ, не превосходя ни в каких случаях некоторого предельного значения. Ниже будут даны рекомендации, как учитывать все эти факторы. Однако окончательно режим использования конденсатора должен быть согласован с его разработчиком.

Рекомендуемые типы конденсаторов и минимально допустимые значения напряжений (/р в зависимости от частоты и скважности приведены в табл. 6-2. Возможность увеличения (/р по сравнению с табличными значениями должна устанавливаться экспериментально после предварительного расчета допустимого режима.

Таблица 6-2

Для проведения этого расчета необходимо знать хотя бы одну экспериментально проверенную базисную рабочую точку, для ко-

торой известны потери в конденсаторе р, скважность q, превышение температуры корпуса над температурой окружающей среды («перегрев») Тб, поверхность охлаждения корпуса /7б. Тогда для рассчитываемого режима

р = Л- д°" i

где Тдоп - допустимое значение т для данного типа конденсатора (обычно 15-20 °С).

При подсчете величины П учитывается поверхность только вертикально расположенных сторон корпуса высотой h, причем зазор б (в сантиметрах) между этими сторонами и соседними элементами должен быть не менее

б= 1,66/Як,

(6-75)

где для конденсаторов с прямоугольным корпусом = 1, с цилиндрическим - = 1/3.

Потери и величина т (в градусах Цельсия) связаны зависимостью

т = -. (6-76)

где а - удельный эквивалентный коэффициент теплоотдачи конденсатора, Вт/(см2-°С); р - в ваттах; /7 - в сантиметрах квадратных.

Ориентировочно в обычном температурном диапазоне

6 1о"

а = 1,Ы0-«

(6-77)

Потери р и рабочее напряжение конденсатора емкостью С в непрерывном режиме работы при частоте / связаны зависимостью

p = 2яf(/Ctgб•10 (6-78)

где б - угол потерь диэлектрика конденсатора.

Следует иметь в виду, что в общем случае величины б и tg б сами зависят от частоты /. При наличии высших гармоник

Р = Е Рп = Е 2я/(/яC„tgб„.10

п=1 п~\

(6-79)

где п - номер гармоники; (/„- напряжение этой гармоники; С„, б„ - емкость и угол потерь на этой гармонике; практически достаточно ограничиться учетом 15-20 членов ряда в (6-79). Необходимо обеспечить

Р < Рпош (6-80)

где рном - допустимые потери в номинальном режиме. Отсюда