Бесконтактные коммутационные устройства.

Взамен традиционных коммутационных аппаратов, имеющих контакты и устройства для гашения дуги, возникающей при отключении токов, в настоящее время применяются бесконтактные аппараты, основанные на свойствах полупроводников.

В силовых цепях для отключения тока применяют устройства на основе тиристоров. Тиристор – управляемый полупроводниковый прибор, состоящий из четырехслойного кристалла кремния со структурой p-n-p-n. Внешние выводы от крайних слоев служат катодом и анодом, а вывод от одной внутренней базовой области – управляющим электродом. Если на управляющий электрод ток не подается, то тиристор заперт (в определенных пределах воздействующих напряжений). Если на управляющий электрод подан ток, то тиристор, находящийся под анодным напряжением, переходит в состояние проводимости.

Цепь остается включенной в течение всего времени, пока подаются управляющие импульсы. При их снятии запирание тиристоров происходит автоматически после прохождения переменного тока в силовой цепи через нуль. Следовательно, время отключения составляет полпериода, т.е. 0,01 с, что в 10-20 раз меньше, чем у традиционных выключателей.

В запертом состоянии тиристор выдерживает определенное напряжение («обратное напряжение»). Гальваническая связь отключенных частей цепи сохраняется вследствие несовершенства полупроводникового контакта, т.е. в цепи протекает ток утечки. Этот недостаток устраняют, включая последовательно в цепь контактный аппарат, который отключает цепь в обесточенном состоянии.

Особенностью тиристоров является повышенное падение напряжения на полупроводниковом контакте, что приводит к значительному выделению мощности и, следовательно, нагреву контакта. Полупроводниковые приборы требуют интенсивного охлаждения – воздушного и водяного.

В качестве блока управления, создающего управляющие импульсы, строго синхронные с действующим переменным напряжением, могут применяться схемы с магнитными усилителями или модуляторами импульсов.

На этих свойствах тиристора основано устройство однофазного силового ключа для коммутации переменного тока. Тиристоры VS1, VS2 включены встречно – параллельно. Если на управляющие электроды подаются маломощные импульсы, синхронные с анодным напряжением, то тиристор VS1 проводит ток первую половину периода, а VS2 – вторую половину периода (рис. 25).

Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора VS1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании контактов К1 реле К через диод VD1 и резистор R2 пройдет импульс тока управления на управляющий электрод тиристора VS1.В результате тиристор VS1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, поэтому сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в проводящем состоянии до перехода тока через нуль. В следующий полупериод включается тиристор VS2 пока контакты реле К будут включены, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

Тиристорные ключи являются основой схем тиристорных пускателей (рис. 25). Силовые тиристоры VS1 - VS6 коммутируют ток. Контакты К1 – К3 управляются реле К, которое включено через разделительный трансформатор Т, выпрямитель UZ1 и транзистор VT к основной сети. При пуске нажатием кнопки SBC замыкается цепь реле К, которое включает свои контакты К1, К2, К3 в цепях тиристорных ключей, и силовая цепь замыкается через тиристоры VS1- VS6. При остановке электродвигателя нажатием кнопки SBT размыкается цепь реле К, контакты К1 – К3 размыкаются, управляющие импульсы не поступают на тиристоры и при переходе тока через нулевое значение они закрываются. Управление может осуществляться автоматически.

Трансформаторы тока ТА1, ТА2 подают сигнал перегрузки в блок защиты (БЗ), который, воздействуя на базу транзистора, снимает питание с реле К и тем самым отключает пускатель.

Промышленностью выпускаются тиристорные пускатели ПТ-16-380-У5 и ПТ-40-380-У5 на 16 и 40 А, 380 В, в них применена несколько иная схема с управлением тиристорами широтно-импульсным методом.

Рис. 25. Тиристорный пускатель.

Достоинствами бесконтактных аппаратов являются: отсутствие подвижной контактной системы; отсутствие дуги или искры; высокое быстродействие; частота срабатывания 10⁵-10⁶ в час; допустимость работы во взрывоопасных помещениях; простота управления слабыми сигналами; высокая надежность работы. В настоящее время тиристорные коммутационные устройства находят применение на АЭС, где требуется высокая надежность и большая скорость переключений в агрегатах бесперебойного питания и других цепях повышенной надежности.

Устройство ТКЕО-250/380У4 предназначено для бесконтактной многократной коммутации токов нагрузки в нормальных и аварийных режимах в установках 380 В с номинальным током 250 А. Устройство выполнено в виде шкафа с двухсторонним обслуживанием, в котором установлено пять унифицированных кассет. Каждая кассета содержит три силовых ключа, состоящих из двух встречно – параллельных тиристоров и модулятора управляющих импульсов. Силовой блок включается автоматически при появлении на входе напряжения 380 В. При снятии управляющих импульсов происходит отключение тиристоров. В режиме К3 цепь отключается при переходе тока через нуль, т.е. значительно раньше, чем ток К3 достигнет недопустимых для тиристора значений. Время отключения при К3 составляет не более 20 мс. Тиристорное устройство обеспечивает автоматическое отключение отходящих линий при перегрузках, при снижении напряжения, при перегорании предохранителей силовых блоков. Уставки токов и выдержки времени регулируются. Отключение может производиться вручную нажатием кнопки.

Устройство ТКЕО рассчитано для установки в закрытых отапливаемых помещениях. Охлаждение – воздушное, естественное.

Устройство ТКЕП-100/380У4 предназначено для агрегатов бесперебойного питания АЭС и служит для автоматического переключения нагрузки на резервный источник питания. Устройство выполнено в виде шкафа с двусторонним обслуживанием, внутри которого установлены четыре унифицированные кассеты. Каждая кассета содержит силовой ключ, блок питания и синхронизации, модуль импульсов переключающий. Так же как в отключающем тиристорном устройстве обеспечивается автоматическое включение при появлении напряжения на входе 380 В, отключение при снятии управляющих импульсов и защита от превышения токов. Импульсы управления сфазированы с силовым напряжением сети. Устройство обеспечивает автоматический перевод питания нагрузки на резервный источник при отклонении напряжения на входе в пределах +8-12% U_ном. без выдержки времени. Обратный перевод питания на основной источник обеспечивается с задержкой 150-200 мс после восстановления напряжения на основном источнике.