Переключение тиристора в проводящее состояние осуществляется подачей на его вход управляющего сигнала с определенной длительностью и амплитудой. После снятия управляющего импульса тиристор остается включенным неограниченно долго, если ток в анодной цепи его не снижается до величины, меньшей тока удержания, поэтому при использовании тиристоров в качестве коммутирующих элементов не только для замыкания, но и для размыкания цепей постоянного тока необходимо прибегать к искусственным мерам, обеспечивающим кратковременное прерывание тока в анодной цепи тиристоров или уменьшение его до необходимых значений.

Практически это может быть реализовано с помощью простых схем, приведенных на рис. 84. В схеме (рис. 84, а) отключение тока нагрузки осуществляется размыканием механического контакта S₁, включенного последовательно с тиристором VS. По истечении времени, достаточного для восстановления управляемости тиристором, контакт S₁ может быть вновь замкнут. Цепь при этом остается разомкнутой, так как тиристор находится в выключенном состоянии. Аналогично схема работает при кратковременном шунтировании тиристора замыкаемым контактом S₂, подсоединение которого показано штриховыми линиями.

а)	б)	в)
Рис. 84. Схемы тиристорных аппаратов постоянного тока

В обоих случаях через механические контакты протекает полный ток нагрузки, и они должны быть на него рассчитаны. Недостатком подобных схем является также то, что тиристоры в них при возврате контактов в исходное состояние подвергаются воздействию прямого напряжения с высокими значениями du/dt.

Улучшенным вариантом исполнения коммутационного устройства является схема, приведенная на рис. 84, б.

Последовательность ее работы такова. В исходном состоянии тиристор закрыт, напряжение на нагрузке R_H и конденсаторе C отсутствует.

Включение схемы осуществляется управляющим сигналом, который необходимо подать на вход тиристора. При этом одновременно с током нагрузки через тиристор протекает ток зарядки конденсатора. Конденсатор заряжается с указанной на рисунке полярностью за время, определяемое постоянной времени цепи.

Последующим замыканием контакта S заряженный практически до напряжения источника питания конденсатор C подключается параллельно тиристору. Он начинает разряжаться. Причем ток разрядки протекает через тиристор в направлении, противоположном анодному току.

При превышении током конденсатора анодного тока создаются условия для выключения тиристора и, следовательно, обесточивания нагрузки. Такой способ выключения тиристора, называемый принудительным (искусственным), емкостным, является предпочтительным, так как позволяет уменьшить время восстановления управляемости тиристора и скорость приложения напряжения в прямом направлении, непосредственно после коммутации тока.

На рис. 84, в приведена еще одна схема тиристорного аппарата, иллюстрирующая применение емкостной искусственной коммутации.

В отличие от схемы на рис. 84, б конденсатор С в ней в исходном состоянии заряжен до напряжения источника питания. Поэтому при включении тиристора VS управляющим импульсом через него начинают протекать ток нагрузки и ток разряда конденсатора (рис. 85). На втором полупериоде колебательной перезарядки конденсатора, когда ток C_i, направленный встречно анодному току в тиристоре (току нагрузки), становится больше по значению, тиристор выключается. Начиная с этого момента времени, остаточное напряжение на конденсаторе C действует согласно с напряжением источника питания, поэтому ток нагрузки резко увеличивается, а затем снижается по мере перезарядки конденсатора. Окончательное выравнивание тока в цепи происходит в момент времени t₃, который соответствует окончанию перезарядки конденсатора.

Рис. 85. Временные диаграммы работы схемы

Обратное напряжение на тиристоре поддерживается в течение времени t_с = t₂ ‒ t₁. Это время называют схемным, так как оно обусловливается параметрами элементов схемы (в данном случае емкостью коммутирующего конденсатора C и индуктивностью катушки L).

В рассмотренных схемах (кроме рис. 84, в) прерывание тока обеспечивается, по существу, традиционными контактными аппаратами.

Поэтому наличие в них тиристоров не дает никаких преимуществ. Что касается режима включения, то он осуществляется тиристорами, и в этом случае реализуются их возможности по быстродействию, готовности к работе и др.

Основное назначение таких аппаратов – подключение нагрузок с высокой точностью по времени, а также осуществление изменений параметров цепей (R, L, С) при различных экспериментальных исследованиях переходных процессов, автоматическое подключение источников питания. Коммутационное устройство (рис. 84, в), наряду с прерыванием тока в цепи, формирует импульсы тока (мощности). Это может быть использовано для регулирования выходной мощности по заданной программе, которая задается системой управления тиристором.

Принудительная коммутация (выключение) тиристоров является основой работы электронных аппаратов постоянного тока и средством повышения быстродействия при отключении аппаратов переменного тока.

Существуют различные схемные решения, которые обеспечивают кратковременное снижение тока в цепи с тиристорами до нуля и их выключение. Но практическое применение в электрических аппаратах нашли только конденсаторные схемы принудительной коммутации.

Необходимо отметить, что по структуре, определяющей соединение элементов коммутирующего контура и подключение его к выключаемым тиристорам, узлы принудительной коммутации в аппаратах переменного тока и в аппаратах постоянного тока имеют существенные отличия. На рис. 86 представлена схема тиристорного выключателя. Из рисунка видно, что вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS₂ может быть включен либо от анодного напряжения (замыканием кнопки «Стоп»), либо напряжением, снимаемым с измерительного резистора – шунта R_ш. В последнем случае напряжение на шунте должно превысить значение, равное U = U_GT +U_F + U_с, где U_GT – напряжение управления, достаточное для надежного включения тиристора VS₂; U_F – падение напряжения на диоде VD₂ и U_с – напряжение стабилизации (переключения) стабилитрона VD₁.

В аварийных режимах работы, сопровождающихся многократным увеличением тока по отношению к номинальному, отключение цепи осуществляется автоматически при включении тиристора VS₂. Регулированием сопротивления R_ш и подбором стабилитрона по параметру U_с можно заранее задать значение тока перегрузки или тока короткого замыкания (КЗ), при которых произойдет отключение выключателя, причем высокое быстродействие выключателя позволяет прервать ток КЗ задолго до того момента, когда он достигнет максимального значения.

В оперативном режиме включение и отключение номинальных токов производятся замыканием управляющих цепей тиристоров VS₁ и VS₂ соответственно кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Ограничение тока в управляющих цепях тиристоров осуществляется резисторами R_Y.

Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами (рис. 87).

Рис. 86. Тиристорный выключатель	Рис. 87. Процесс отключения выключателя постоянного тока

Особенности, характерные для выключателей с емкостной коммутацией тиристоров, заключаются в следующем:

1. При включении коммутирующего тиристора источник питания и заряженный до напряжения источника конденсатор оказываются соединенными последовательно. Это вызывает скачкообразное увеличение тока в цепи, что неблагоприятно сказывается на нагрузке, особенно при отключении аварийных токов.

2. Интервал времени t = t ₃ ‒ t ₁, в течение которого конденсатор С перезаряжается, определяет быстродействие выключателя при отключении и частоту коммутаций. При повторном включении тиристора VS ₁ конденсатор вновь должен перезарядиться и тем самым обеспечить готовность к последующему отключению аппарата. Для сокращения времени перезарядки конденсатора необходимо уменьшать постоянную цепи зарядки. Это можно достичь уменьшением сопротивления резистора R.

3. Процесс отключения тока в цепи нагрузки заканчивается выключением тиристора VS ₂. Для этого необходимо обеспечить ограничение тока резистором R (после перезарядки конденсатора) до значений, меньших тока удержания тиристора. Ввиду того, что ток удержания мощных тиристоров составляет десятки или сотни миллиампер, сопротивление резистора R должно быть достаточно большим. Чтобы не снизить частоту коммутаций выключателя, зарядка конденсатора осуществляется обычно с помощью дополнительной зарядной цепи с малой постоянной времени от автономного источника питания.

4. Важной задачей при создании выключателей с емкостной коммутацией тиристоров является ограничение перенапряжений, возникающих на конденсаторе. В зависимости от параметров коммутируемой цепи и режима короткого замыкания они могут превышать значение (1,5...2)U.

Для ограничения уровня перенапряжений до приемлемых значений необходимо использовать различные демпфирующие цепи, полупроводниковые или оксидно-цинковые (варисторы) нелинейные ограничители.

В некоторых разработках целесообразным становится применение двухконтурных или двухступенчатых коммутирующих узлов, с помощью которых реализуется снижение скорости спада тока в процессе его отключения и существенное уменьшение перенапряжений.

В тиристорных аппаратах с емкостной коммутацией ограничение перенапряжений может быть достигнуто различными способами. Наиболее простой из них заключается в подключении параллельно конденсатору (на определенном этапе его перезарядки) линейного или нелинейного резистора. Сущность такого подхода заключается в демпфировании колебаний за счет увеличения коэффициента их затухания. Эффективность этого способа показана на основе анализа коммутационных процессов в выключателе переменного тока. В выключателях постоянного тока использование линейных резисторов для шунтирования конденсаторов связано с необходимостью введения в схему дополнительного коммутационного узла (обычно тиристорного), обеспечивающего прерывание тока в резисторе.

Один из возможных вариантов исполнения выключателей с двухступенчатой коммутацией тока показан на рис. 88. Готовность к отключению в схеме этого аппарата обеспечивается предварительной зарядкой конденсатора С от сети с указанной полярностью. Для этого необходимо включить тиристоры VS ₂ и VS ₅, подав на их входные цепи управляющие сигналы. Ток зарядки конденсатора С протекает через элементы схемы L ₁, L ₂, R, VS ₅, С, перемычку П, VS ₂, L ₃. По мере зарядки конденсатора ток в цепи тиристоров VS ₂, VS ₅ уменьшается и, когда он становится меньше тока удержания, тиристоры самостоятельно выключаются. При длительном номинальном режиме напряжение на конденсаторе постепенно уменьшается из-за несовершенства собственной изоляции и вследствие утечки заряда через подключенные к конденсатору цепи с тиристорами.

Рис. 88. Тиристорный выключатель с двухступенчатой коммутацией тока

Для предотвращения значительного снижения напряжения система управления должна обеспечивать периодическое включение тиристоров VS ₂ и VS ₅. В результате на конденсаторе С будет автоматически поддерживаться постоянное напряжение, равное практически напряжению сети. Реакторы L ₁, L ₂, L ₃ в схеме необходимы для ограничения скорости нарастания тока при включении тиристоров и реализации колебательного режима переходных процессов.

При возникновении короткого замыкания и достижении током значения уставки системой управления включаются тиристоры VS ₃ и VS ₄.

В результате, как и во всех рассмотренных ранее схемах, выключается тиристор VS ₁. После изменения полярности напряжения на конденсаторе и повышения его до заданного значения системой управления выдается сигнал на включение тиристора VS ₅. При этом параллельно конденсатору подключается резистор R, способствующий ограничению дальнейшего повышения напряжения на конденсаторе С. Начиная с этого момента, напряжение на конденсаторе уменьшается вместе с уменьшением коммутируемого тока.

Разрядка конденсатора осуществляется через тиристор VS₃, а после его выключения – через диод VD₁. Второй этап коммутационных процессов начинается непосредственно после выключения тиристора VS₃ и снижения тока до значения, определяемого общим сопротивлением внешней цепи и резистора R.

В этот момент времени системой управления включается тиристор VS₂ и ток начинает протекать по цепи R, VS₅, С, П, VS₂ и VD₂.

В результате напряжение на конденсаторе вновь изменяет полярность.

По достижении им заданного значения ток в нагрузке полностью прерывается.

Так как полярность напряжения на конденсаторе после отключения соответствует исходному состоянию, выключатель готов к повторному срабатыванию. Причем в рассматриваемом случае, который соответствует индуктивному характеру нагрузки, напряжение на конденсаторе значительно превышает напряжение сети. При активной нагрузке остаточное напряжение на конденсаторе и после отключения тока меньше напряжения источника. Для обеспечения готовности к работе конденсатор необходимо дозарядить.

Резистор R в процессе зарядки конденсатора зашунтирован диодом, который в данном случае смещен в прямом направлении. Поэтому постоянная времени зарядки конденсатора определяется только сопротивлением соединительных проводов, собственным сопротивлением, индуктивностью конденсатора и дифференциальным сопротивлением диода.

При включении запираемого тиристора конденсатор С, который заряжен до напряжения источника питания, разряжается через резистор R, так как диод VD₁ при этом оказывается смещенным в обратном направлении. Таким образом, обеспечивается защита тиристора от превышения допустимой для него скорости нарастания тока при включении. Отметим, что емкость конденсатора защитной цепи, обеспечивающая нормальный режим работы запираемого тиристора в цепи с активной нагрузкой, составляет единицы микрофарад.

Резкое прерывание тока запираемым тиристором при отключении индуктивной нагрузки сопровождается не только высокой скоростью восстановления напряжения, но и многократными перенапряжениями.

Для ограничения перенапряжений можно использовать защитную цепь с той же структурой. Однако емкость конденсатора в этом случае может составить десятки и даже сотни микрофарад.