Тиристорный элемент как коммутатор однофазной силовой цепи

Подключенные встречно-параллельно два тиристора образуют силовой тиристорный элемент (ТЭ), который, по сути, представляет собой быстродействующий выключатель с высоким сопротивлением, при помощи которого можно регулировать средние величины напряжений и токов на нагрузке.

Если заменить один из тиристоров диодом получится тиристорно-диодный элемент (ТДЭ),  который позволит изменять величину протекающего тока только в одном полупериоде приложенного напряжения. По своим возможностям ТДЭ аналогичен ТЭ с несимметричным управлением, когда управление ведется только одним из тиристоров.

Состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров тиристорный элемент можно заменить одним симметричным тиристором (симистором), который также позволяет регулировать ток в обеих полупериодах приложенного напряжения.

При работе тиристорного элемента чисто на активную нагрузку форма кривой тока полностью повторяет форму кривой приложенного напряжения. Поэтому при подаче управляющего импульса на электрод тиристора, смещенного на угол α относительно нулевой точки приложенного напряжения, ток в цепи появится сразу, как это показано на рисунке а). В течении проводящего полупериода, который характеризуется углом проводимости λ, ток изменяется по синусоиде и прекращается при прохождении тока через ноль (смена знака напряжения на аноде). Стоит отметить, что угол закрывания тиристора при чисто активной нагрузке всегда равен π.

В случае коммутации цепи с активно-индуктивным сопротивлением возникает ЭДС самоиндукции, которое задерживает нарастание и спадание тока. В электрической цепи с индуктивностью форма тока не повторяет форму напряжения, а ток в нагрузке прекращается с запаздыванием, по отношению к моменту перехода напряжения через ноль (рисунок б)). При этом угол проводимости тиристора равен λ разности между углом закрывания β и углом открывания α.

В пределах угла проводимости ток через тиристор можно определить из уравнения электрического равновесия цепи:

Данное уравнение (1) справедливо для тока через один из тиристоров в интервале углов α≤ωt≤β, вне которого ток не течет. Решение данного уравнения выглядит следующим образом:

φ – угол, который характеризует параметры нагрузки, в дальнейшем будем называть его фазовым углом нагрузки. Угол φ представляет из себя сдвиг по фазе между током и напряжением, если в цепи отсутствуют тиристоры.

Ток, протекающий в электрической цепи (рисунок б)), состоит из двух составляющих – свободной составляющей:

Которая затухает по экспоненте с постоянной времени, зависящей от фазового угла нагрузки, и составляющей вынужденного режима:

При ωt = α начальное значение свободной составляющей будет равно мгновенному значению вынужденной составляющей тока. В момент закрывания тиристора ωt = β величина свободной составляющей i_св также соответствует мгновенному значению вынужденной составляющей i_в. По уравнению (2) возможно определение тока в электрической цепи на рисунке б), если задан угол φ, а также углы открывания α или закрывания β, либо же угол проводимости λ. Угол λ можно найти из уравнения (2) при использовании граничных условий. Подставив в выражение (2):

Получим выражение, связывающее угол проводимости с величиной углов α и φ:

В случае, если управляющие импульсы поступают на электрод тиристора с углом α = φ, то свободная составляющая тока возникать не будет, а ток будет определяться только вынужденной составляющей (это следует из выражения (2)). При этом импульс тока через один тиристор совпадает с импульсом тока через второй тиристор. Данный угол открывания принято называть критическим α_кр. При α<α_кр ток через тиристорный элемент носит непрерывный характер, а в случае  α>α_кр ток будет иметь прерывистый характер.

Чтобы получить синусоидальный непрерывный ток при α<α_кр ширина отпирающего импульса λ_и должна быть не меньше разности (φ — α). Если это условие не выполняется, то отпирающий импульс закончится раньше, чем прекратится ток в параллельном вентиле и, соответственно, тиристор не сможет открыться – произойдет пропуск импульса.

В случае работы тиристорного элемента с углом отпирания α=α_кр угол проводимости λ равен π и происходит поочередное непрерывное открывание тиристоров синхронно с переходом тока через ноль в цепи нагрузки. Поэтому процесс переключения тиристоров при α<α_кр можно назвать синхронным в отличии от задержанного, выполняющегося при условии α>α_кр, когда подача отпирающего импульса производится с задержкой относительно момента возможного появления тока.

В цепи переменного тока закрывание тиристоров происходит в момент перехода тока через нуль положительной полуволны напряжения на аноде. Этот процесс называется естественной  коммутацией.

В цепи с источником независимой переменной ЭДС Е_мsin(ωt+γ) ток будет определяться с учетом действующего результирующего напряжения. Таким образом, уравнение электрического равновесия цепи (1) получит следующий вид:

Решив это уравнение на интервале проводимости при начальных условиях ωt = α и i = 0, получим выражение для тока через один из тиристоров:

U_м.рез – амплитудное значение результирующего напряжения.

δ – это фазовый сдвиг результирующего напряжения относительно напряжения сети.

Приблизительный характер изменения тока для тиристорного элемента приведен на рисунке в). При синхронном переключении тиристоров ток отстает на угол φ от результирующего напряжения U_м.резsin(ωt + δ). Это же напряжение будет приложено и к закрытому тиристору в диапазоне углов при задержанном переключении:

Постоянная составляющая тока появляется при несимметричном открывании тиристоров в положительный и отрицательный полупериоды напряжения. Степень не симметрии можно вычислить из уравнения:

Где α₊ и α_— — углы открывания тиристоров в положительный и отрицательный полупериоды напряжения сети.

Направление и величина постоянного тока в нагрузке определяется знаком степени и величиной не симметрии. В этом случае определение углов проводимости и формы тока производится для каждого тиристора в отдельности, аналогично рассмотренному ранее случаю симметричного управления, но с учетом конкретных значений углов α₊, α_—, и β_+, β_—.

При несимметричном управлении меняется определение критического угла открывания. Это связано с тем, что при угле проводимости одного из тиристоров α₊ < π становится возможным включение сопряженного тиристора с углом α < φ, в связи с α_— > π. Отсюда можно сделать вывод, что при Δα не равном нулю критический угол открывания тиристора зависит от угла закрывания другого, параллельно включенного.