ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для коммутации силовых цепей переменного тока раз­работано много различных типов электрических аппаратов: автоматические выключатели, электромагнитные контакторы:

и др. Большинство из них основано на механическом вза­имодействии отдельных узлов и деталей. Наличие подвижных узлов и деталей обусловливает инерционность процессов за­мыкания и размыкания электрических контактов. Обычно время включения и выключения таких аппаратов находится в диапазоне от десятых до сотых долей секунды в зависимости от типа коммутационного аппарата.

Полупроводниковые ключевые элементы позволяют сущест­венно повысить быстродействие коммутационных аппаратов. С этой целью разработан ряд схем, так называемых бескон­тактных коммутационных аппаратов, выполненных преимуще­ственно на основе тиристоров. В литературе такие аппараты часто именуются тиристорными контакторами. Отсутствие подвижных частей и металлических контактных соединений делает эти устройства значительно более надежными и быст­родействующими. Кроме того, как и все схемы с полупровод­никовыми приборами, они обладают большим сроком службы.

В простейшем исполнении силовая часть однофазного тиристорного контактора представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора (рис. 1 а)или один симметричный тиристор. Если тиристоры проводят ток, то контактор включен, если тиристоры ток не проводят, то контактор выключен. Так как ток переменный, то одну полуволну тока проводит тиристор V_S1, а другую — тиристор V_S2. Различие между ними заключается в законе управления тиристорами. В регуляторе управляющие импульсы на тиристоры поступают с различными углами управления a, а в контакторе — таким образом, чтобы каждый тиристор проводил одну или несколько полных полуволн тока либо оба тиристора были выключены.

Поскольку тиристор является не запираемым по управлению элементом, то для его выключения необходимо обеспечить спадание тока до нуля. Если контактор включен в цепи с активным сопротивлением Z_H = R_H (рис. 1 а), то моменты прохождения через нуль тока и напряжения совпадают. При активно-индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения, переход тока с одного тиристора на другой происходит позже па угол j_н, который определяется коэффициентом мощности нагрузки (рис. 1 б). Для того чтобы выключить тиристор раньше момента прохождения тока коммутируемой цепи через нуль, необходимо применять искусственную коммутацию ти­ристоров.

В зависимости от того, выключаются тиристоры под воздействием естественного снижения переменного тока до нуля или посредством их искусственной коммутации, различают тиристорные контакторы с естественной коммутацией (ТКЕ) и искусственной коммутацией (ТКИ). Для того чтобы вы­ключить ТКЕ, достаточно прекратить подачу управляющих импульсов на тиристоры. В этом случае максимальное время выключения тиристора не будет превышать половины периода выходного напряжения. Например, если прекратить подачу управляющих импульсов в момент включения очередного тиристора, то он будет проводить полуволну тока, т. е. в течение 180°, а другой тиристор уже не сможет включиться из-за отсутствия управляющего импульса.

При необходимости иметь время выключения меньшим, чем половина периода выходного напряжения, следует при­менять ТКИ. Однако в этом случае возникает проблема отвода энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, при обесточивании цепи, соединяющей источник электроэнергии с нагрузкой. Это связано с тем, что согласно основным законам коммутации ток в индуктивности не может изменяться скачком. Поэтому чем быстрее происходит отключение цепи, содержащей индуктивность, с током, отличным от нуля, тем большие перенапряжения возникнут на отключающем аппарате. Указанные перенапряжения являются следствием наведения ЭДС в индуктивности, препятствующей изменению значения тока нагрузки. Для устранения перенапряжений (опасных для элементов коммутационного аппарата) следует в случае при­менения ТКИ предусматривать возможность отвода или сброса энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, в какой-либо приемник или накопитель электроэнергии. В частности, таким приемником может служить конденсатор или источник перемен­ного тока, способный принимать электроэнергию.

На рис. 2 а, представлена схема ТКИ, в которой отключение основных тиристоров VS₁, VS₂ производится с помощью колебательного контура, элементами которого являются конденсатор C_K и реактор L_K. Такие схемы в ли­тературе иногда называют схемами с параллельной ком­мутацией. Когда ТКИ включен, то ток нагрузки протекает и один полупериод через тиристор VS₁ и диод VD₁; а в другой — через тиристор VS₂ и диод VD₂. Коммутирующий конденсатор С_к заряжен от маломощного вспомогательного трансформатора Т_р с полярностью, указанной на рис. 2, и отделен от основных тиристоров и диодов коммутирующим тиристором VS_K.

Для выключения основных тиристоров необходимо подать управляющий импульс на коммутирующий тиристор VS_K. При этом в результате разряда конденсатора С_к в колебательном контуре возникает ток i_K, который будет протекать через тот основной тиристор, который в этот момент проводит ток, и будет направлен навстречу этому току. Например, допустим, что ток нагрузки проводил тиристор VS₁. При включении тиристора VS_K через тиристор VS₁ начинает протекать разность токов нагрузки i_H и контура i_K. Пока ток i_K меньше тока i_H, тиристор VS₁ будет включен, а диод VD₂ выключен, так как к нему приложено обратное напряжение, обусловленное паде­нием напряжения на тиристоре VS₁. При равенстве токов i_H и i_K тиристор VS₁ выключается, ток i_K продолжает возрастать, разность токов i_K и i_H будет протекать через диод VD. На интервале проводимости диода VD₂ к тиристору VS₁ будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD₂. Когда ток i_K станет меньше тока i_H, диод VD₂ выключается, и ток нагрузки i_H начинает протекать по контуру диод VD₃ — конденсатор С_K — реактор L_K — тиристор VS_K — диод VD₁ — нагрузка — источник — диод VD₃. При этом будет происходить перезаряд конденсатора С_K током нагрузки i_H и энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, будет переходить в конденсатор С_K. Это обстоятельство вызывает необходимость существенно завышать его установленную ем­кость или вводить в схему дополнительные устройства, поглощающие энергию.

Быстродействие рассмотренного ТКИ при использовании его для коммутации цепей с активной нагрузкой ограничено практически только временем выключения тиристоров (обычно десятки микросекунд). Однако при активно-индуктивной нагруз­ке это время увеличивается и зависит от параметров схемы и нагрузки.

Количество основных тиристоров в данном ТКИ может быть уменьшено до одного, как это показано на рис. 2 б. В этом случае упрощается управление ТКИ, но одновременно увеличиваются потери в схеме. Последнее объясняется тем, что при включенном ТКИ ток нагрузки в каждый момент времени протекает по трем элементам: двум диодам и одному тиристору. В основном же процессы в обеих схемах сходны.

В многофазных системах статические контакторы обычно устанавливают отдельно на каждую фазу. При этом некоторые функциональные узлы фазных контакторов могут быть схемно и конструктивно объединены.

Существует много различных схем полупроводниковых контакторов, отличающихся как принципом действия, так и элементной базой. Большинство из них обладают существенными преимуществами перед электромеханическими аппаратами в части быстродействия, надежности и срока службы, а в некоторых случаях имеют и лучшие массогабаритные показатели. Следует, однако, отметить, что всем полупроводниковым контакторам присущ один общий недостаток — невозможность обеспечения полной гальваниче­ской развязки коммутируемых цепей в отключенном состоянии. Это объясняется тем, что сопротивление полностью вы­ключенного полупроводникового прибора всегда имеет ко­нечное значение, в то же время механические контакты обеспечивают полный разрыв цепи.