Principe de fonctionnement des appareils électriques jusqu'à 1000V. Dispositifs semi-conducteurs basse tension. Sélection des paramètres de cellule haute tension et de protection

Appareils électriques est un appareil électrique utilisé pour allumer et éteindre les circuits électriques, surveiller, mesurer, protéger, contrôler et réguler les installations destinées au transport, à la conversion, à la distribution et à la consommation d'électricité.

Classification des appareils électriques peut être réalisé selon un certain nombre de caractéristiques : finalité, champ d'application, principe de fonctionnement, type de courant, protection contre les influences environnementales, caractéristiques de conception, etc. La principale est la classification par finalité, qui prévoit la division des appareils électriques dans les grands groupes suivants.

1. Appareils de commutation des appareils de distribution, utilisé pour allumer et éteindre les circuits électriques. Ce groupe comprend les interrupteurs, les interrupteurs par lots, les interrupteurs de charge, les interrupteurs haute tension, les sectionneurs, les séparateurs, les court-circuiteurs, les disjoncteurs et les fusibles. Les appareils de ce groupe se caractérisent par des allumages et des extinctions relativement rares. Il peut également arriver que de tels appareils soient allumés et éteints assez souvent (par exemple, des interrupteurs haute tension dans les circuits d'alimentation des fours électriques).

2. Dispositifs limiteurs, destinés à limiter les courants de court-circuit (réacteurs) et les surtensions (parafoudres). Les modes de court-circuit et de surtension sont des conditions d'urgence et ces appareils sont rarement soumis aux charges les plus importantes.

3. Ballasts, destiné au démarrage, à la régulation de la vitesse, de la tension et du courant des machines électriques ou de tout autre consommateur d'énergie électrique. Ce groupe comprend les contrôleurs, les contrôleurs de commande, les contacteurs, les démarreurs, les résistances et les rhéostats. Les appareils de ce groupe se caractérisent par des allumages et des extinctions fréquents, dont le nombre atteint 3 600 par heure ou plus.

4. Dispositifs de surveillance de paramètres électriques ou non électriques spécifiés. Ce groupe comprend des relais et des capteurs. Le relais se caractérise par un changement progressif de la valeur d'entrée (contrôlée), provoquant un changement brusque du signal de sortie. Le signal de sortie affecte généralement le circuit d'automatisation. Dans les capteurs, un changement continu de la quantité d’entrée est converti en un changement d’une certaine quantité électrique, qui constitue la sortie. Cette modification de la valeur de sortie peut être soit douce (capteurs de mesure), soit brusque (capteurs relais). Les capteurs peuvent être utilisés pour surveiller les quantités électriques et non électriques.

5. Équipement pour les mesures.À l'aide de ces appareils, les circuits de commutation primaires (courant principal) sont isolés des circuits des appareils de mesure et de protection, et la quantité mesurée acquiert une valeur standard pratique pour les mesures. Ceux-ci incluent des transformateurs de courant et de tension, des diviseurs de tension capacitifs.

6. Régulateurs électriques. Conçu pour réguler un paramètre donné selon une loi précise. En particulier, de tels dispositifs sont utilisés pour maintenir la tension, le courant, la température, la vitesse de rotation et d'autres quantités à un niveau constant.

Séparation des appareils par domaine d'application plus conditionnel. Les appareils destinés aux systèmes électriques et à l'alimentation électrique sont regroupés dans un groupe d'appareillages de commutation basse et haute tension. Dispositifs utilisés dans les circuits de commande automatique pour les entraînements électriques et pour l'automatisation des processus de production.

Par tension nominale les appareils électriques sont divisés en deux groupes : les appareils basse tension (avec une tension nominale allant jusqu'à 1 000 V) et les appareils haute tension (avec une tension nominale supérieure à 1 000 V).

Exigences pour les appareils électriques :

1. Dans les conditions nominales de fonctionnement, la température des éléments porteurs de courant de l'appareil ne doit pas dépasser les valeurs recommandées par le GOST concerné.

Lors d'un court-circuit (SC), les éléments porteurs de courant de l'appareil sont soumis à des charges thermiques et dynamiques importantes provoquées par un courant élevé. Ces charges ne doivent pas provoquer d'effets résiduels altérant les performances de l'appareil après élimination du court-circuit.

2. Les appareils destinés à être allumés et éteints fréquemment doivent avoir une résistance élevée à l'usure.

3. Les contacts des appareils destinés à déconnecter les courants de court-circuit doivent être conçus pour ce mode.

4. L'isolation des appareils électriques doit résister aux surtensions qui surviennent pendant le fonctionnement et avoir une certaine marge qui prend en compte la détérioration des propriétés d'isolation au fil du temps et due au dépôt de poussière, de saleté et d'humidité.

5. Chaque appareil est soumis à un certain nombre d'exigences spécifiques déterminées par sa destination. Ainsi, par exemple, un interrupteur haute tension doit couper le courant de court-circuit en peu de temps (0,04-0,06 s). Le transformateur de courant doit fournir des erreurs de courant et angulaires ne dépassant pas une certaine valeur.

6. En raison de l'automatisation généralisée des processus de production et de l'utilisation de schémas d'automatisation complexes, le nombre d'appareils impliqués dans le travail augmente. La possibilité de panne des appareils électriques nécessite leur redondance et la création d'un système de dépannage spécial. À cet égard, les appareils électriques doivent être très fiables. La défaillance des appareils à haute tension entraîne d'importantes destructions et pertes matérielles.

7. Le poids, les dimensions hors tout, le coût et le temps requis pour l'installation et l'entretien des appareils électriques doivent être minimes. Les appareils électriques qui répondent aux exigences modernes sur une durée de vie de 25 ans ne devraient pas nécessiter de réparations ou de révisions complexes.

8. La conception des appareils électriques doit offrir la possibilité d'automatisation lors de leur fabrication et de leur fonctionnement.

Boutons de commande sert à commuter des circuits électriques basse tension. Ils sont à circuit simple et à circuit double avec contacts de fermeture et de fermeture. Dans la plupart des cas, les boutons sont réalisés avec retour automatique, c'est-à-dire lorsque la pression mécanique est supprimée, leurs contacts reviennent à leur position d'origine. En figue. La figure 28 montre la conception d'un bouton avec deux paires de contacts : normalement ouvert et normalement fermé.

Figure 28. Bouton de commande

Disjoncteurs- Il s'agit d'appareils de commutation conçus pour l'arrêt automatique unique du circuit protégé en cas de court-circuit ou de surcharge. Le circuit est déconnecté en faisant fondre le fusible inclus dans la coupure du circuit protégé sous l'influence d'un courant dépassant une certaine valeur.

Les fusibles sont caractérisés par les paramètres suivants.

Tension nominaleU n / A. - tension indiquée sur le fusible et correspondant à la tension la plus élevée des réseaux dans lesquels l'installation de ce fusible est autorisée.

Courant nominal du fusible I n / A. - dans lequel les parties conductrices de courant et de contact du fusible sont chauffées à une température acceptable. Le courant nominal du fusible doit toujours être supérieur ou égal au courant nominal du fusible, c'est-à-dire je n / A. ≥ je n.vst.

Courant nominal du fusible I n.vst - courant auquel un fusible peut résister indéfiniment.

Limiter le courant de coupure à une tension I donnée pr.pr - la valeur la plus élevée du courant de court-circuit du réseau, à laquelle un fonctionnement fiable des fusibles est garanti, c'est-à-dire que l'arc s'éteint sans aucun dommage au boîtier.

Caractéristique de protection (temps-courant) du fusible - C'est la dépendance du temps d'arrêt complet τ désactivé du rapport entre le courant attendu dans le circuit (courant de court-circuit ou surcharge) et le courant nominal du fusible

Les principaux éléments du fusible sont fuse lien, inclus dans le découpage du circuit protégé, et dispositif d'extinction d'arc, éteignant l'arc qui se produit après la fonte de l'insert.

Le processus de fonctionnement du fusible est divisé en plusieurs étapes : chauffage de l'insert jusqu'à la température de fusion, fusion et évaporation de l'insert, apparition et extinction d'un arc électrique avec restauration des propriétés isolantes de l'espace isolant résultant.

Les matériaux de fusible les plus courants sont le cuivre, le zinc, l’aluminium, le plomb et l’argent. Les inserts en zinc et en plomb ont un point de fusion bas (419 o C et 327 o C), de sorte que la température de chauffage de l'ensemble du fusible lors d'un long passage du courant nominal ne peut pas non plus être élevée. Lors de la fusion, des films d'oxyde résistants se forment sur la surface extérieure du zinc, à l'intérieur desquels peut se trouver du métal liquide. Dans ces conditions, après la fusion de l'insert, le circuit de courant n'est pas interrompu et la valeur du courant limite peut être incertaine. Le zinc a un potentiel d'ionisation relativement élevé (9,4 électrons-volts), ce qui contribue à éteindre l'arc. Le zinc est résistant à la corrosion, de sorte que la section transversale des inserts fusibles en zinc ne change pas pendant le fonctionnement et leurs caractéristiques de protection restent stables. Le zinc et le plomb ayant une résistivité électrique relativement élevée, la section transversale des inserts constitués de ces métaux s'avère importante.

Les inserts en cuivre sont sujets à l'oxydation, leur section diminue avec le temps, les courants et les temps de réponse changent et ne correspondent plus aux valeurs spécifiées. Le revêtement des inserts en cuivre d'une couche d'étain (étamage) permet de maintenir la stabilité de leur section et de leurs caractéristiques. Les inserts en argent ne s'oxydent pas et leurs caractéristiques sont les plus stables. Mais l'argent est cher, il n'est donc utilisé que dans des cas particulièrement critiques. S'il est nécessaire d'obtenir une temporisation plus longue du fusible sous charge, il convient d'utiliser des fusibles en zinc et en plomb. Les inserts en argent et en cuivre permettent des temps de retard plus courts.

Les fusibles en aluminium sont utilisés dans les fusibles en raison de la pénurie aiguë de métaux non ferreux traditionnels. La haute résistance des films d'oxyde sur l'aluminium rend difficile l'établissement de contacts détachables fiables. Un épais film d'oxyde forme une coque réfractaire à la surface de l'insert et rend difficile sa destruction lors de sa fusion par les courants de court-circuit (le métal liquide est retenu dans un « tube » du film). Mais ces inconvénients ont été éliminés et les inserts en aluminium ont trouvé une application dans les fusibles développés ces dernières années.

Sur la base du principe de conception, les fusibles peuvent être divisés dans les types suivants : avec un fusible ouvert en l'air ; fusibles fermés avec remplissage (fill); métal liquide et inertiel.

Dans les fusibles fermés, réalisés sous la forme d'un tube en fibre, fermé aux extrémités par des capuchons en laiton, l'arc s'éteint suite à une augmentation de la pression à l'intérieur du tube due à la décomposition de la fibre. Dans les fusibles de remblayage, l'arc électrique généré lors de la fusion des inserts entre en contact étroit avec de petits grains de charge (sable de quartz), est intensément refroidi, désionisé et donc rapidement éteint.

Quelle que soit la conception, le fonctionnement du fusible est caractérisé par ce qu'on appelle la caractéristique de protection ou temps-courant, qui est la dépendance du temps de fusion du fusible sur la quantité de courant qui le traverse. Une vue générale d’une telle caractéristique est présentée sur la Fig. 29.

Figure 29. Coordination des caractéristiques du fusible et de l'objet protégé.

Le fusible ne protégera que si sa caractéristique de protection (courbe 1) est située légèrement en dessous de la caractéristique de l'objet protégé (courbe 2) à n'importe quelle valeur de courant dans le circuit (Figure 9). Cependant, la caractéristique réelle du fusible (courbe 3) croise la courbe 2. Dans la zone de fortes surcharges (zone B), le fusible protège l'objet. Dans la zone A, le fusible ne protège pas l'objet.

Aux petites surcharges (1,5-2) Dans Le fusible chauffe lentement. La majeure partie de la chaleur est perdue dans l’environnement. Pour se protéger contre les petites surcharges, d'autres appareils doivent être utilisés.

Le courant auquel le fusible brûle lorsqu'il atteint une température constante est appelé courant de fusion ou courant limite. je me submerge.

Distinguer valeurs de courant de test inférieures et supérieures. Valeur inférieure Le courant de test est le courant maximum qui, lorsqu'il circule pendant 1 heure, ne fait pas sauter le fusible. Valeur supérieure du courant de test- c'est le courant minimum qui, en passant pendant 1 heure, fait fondre l'insert du fusible. Avec une précision suffisante, le courant limite peut être considéré comme égal à la moyenne arithmétique des courants de test.

L'ampleur du courant limite dépend de nombreux facteurs, dont les plus importants sont : la configuration du fusible, la conception du fusible. La durée de grillage du fusible dépend largement du degré de surcharge. Ainsi, avec de petites surcharges, la durée du grillage est fortement influencée par la massivité et le degré de compression de contact, la température et la vitesse de déplacement de l'air entourant l'insert, l'état de la surface et la composition chimique du matériau de l'insert. inserts.

Le rôle des facteurs énumérés dans les courants de court-circuit n'a pratiquement aucun effet sur le temps de grillage du fusible.

Ainsi, la caractéristique de protection d'un fusible est un phénomène complexe qui dépend d'un certain nombre de facteurs qui, dans la plupart des cas, ne peuvent pas être pris en compte avec précision. Par conséquent, la seule façon d’obtenir une image réelle des phénomènes qui se produisent est l’expérimentation.

Les fusibles de la série PR-2 (Fig. 30) ont des cartouches fermées et pliables sans remplissage et sont fabriqués pour une tension de 220 V (taille I) et une tension de 500 V (taille II). Courants nominaux des cartouches 15 – 1000 A. Courants nominaux des inserts 6 – 1000 A.

Le porte-fusible tubulaire se compose d'un cylindre en fibre 3, de bagues en laiton 4 avec une fente pour un fusible 1 et de capuchons en laiton 5.

Le fusible 1 est en zinc résistant à la corrosion. L'insert est réalisé sous la forme d'une plaque avec des découpes qui réduisent sa section dans certaines zones (Figure 30, c). Cette conception de l'insert permet de réduire le temps de grillage lorsque des courants élevés circulent et, en outre, d'augmenter le pouvoir de coupure du fusible grâce à la réduction de la quantité de vapeur métallique dans l'arc lorsque l'insert grille. (l'insert ne brûle que dans les zones rétrécies). Dans les fusibles avec une cartouche de 15 à 60 A, les capuchons en laiton 5 sont les pièces de contact du fusible, et pour les fusibles avec une cartouche de 100 A et plus, les pièces de contact sont des couteaux en cuivre 2 (voir Figure 30, b) . La rondelle 6, qui comporte une rainure pour le couteau, l'empêche de tourner.

Figure 31. Fusible type PN-2.

Le tube en porcelaine 1, carré à l'extérieur et rond à l'intérieur, comporte quatre trous filetés dans les coins dans lesquels sont vissées des vis fixant les plaques 5. Les disques 4 sont vissés sur ces plaques avec des vis, avec des inserts fusibles en cuivre 2 soudés d'un côté avec du solvant d'étain 7, et de l'autre côté – des couteaux 9. Pour sceller la cartouche, un joint en amiante 6 est placé sous les plaques 5, qui protège le sable de l'humidité. Les maillons fusibles 2 ont une section rectangulaire avec des sections rétrécies 8 (de 1 à 5).

Le fusible grillé est remplacé avec les couteaux. La cartouche est remplie de sable de quartz 3 avec des granulométries de 0,2 à 0,4 mm. L'humidité du sable ne doit pas dépasser 3 %.

Le fusible PNB-2 (B - haute vitesse) a la même conception que le PN-2, mais ses inserts sont en argent et sont conçus pour protéger les redresseurs au germanium et au silicium.

Les fusibles fonctionnent silencieusement, avec pratiquement aucune émission de flamme ou de gaz, ce qui permet de les installer à proximité les uns des autres.

Les interrupteurs sont des dispositifs de commutation par contact conçus pour commuter des circuits électriques.

Dans les appareillages jusqu'à 1 kV et dans les circuits d'automatisation à faible courant, les interrupteurs discontinus et les disjoncteurs sont largement utilisés. En figue. La figure 32 montre un commutateur à cames superposées. Sur la base de l'interrupteur se trouvent deux paquets /, //, à l'intérieur desquels se trouvent trois pôles des systèmes de contact. Lorsque la poignée 9 est tournée, l'arbre 2 et la came 3 tournent. Si la tige 5 tombe dans l'évidement de la came, alors les contacts 7, 8 se ferment sous l'action du ressort 6. Si la tige heurte la saillie de la came , les contacts s'ouvrent. L'arc résultant est éteint dans un volume fermé d'un boîtier étanche 4 en matériau isolant. Le réseau externe est connecté aux broches 1.

Riz. 32. Commutateur à came par lots

Les commutateurs à paquets sont de petite taille, faciles à installer et éliminent l'émission de flammes et de gaz. Le système de contact permet de contrôler un grand nombre de circuits simultanément. De tels interrupteurs permettent de couper les courants nominaux.

Les commutateurs par lots ne fournissent pas de coupure visible dans le circuit, c'est pourquoi des commutateurs sont installés dans certains circuits.

Les interrupteurs sont conçus pour la mise sous et hors tension manuelle des circuits DC et AC jusqu'à 1 000 V. De par leur conception, il existe des interrupteurs à un, deux et trois pôles.

En figue. 33 montre un interrupteur avec un entraînement à levier. Le couteau de contact mobile 3 tourne dans le montant articulé 4, créant un espace avec le contact fixe 1. La chambre à arc 2 assure l'extinction de l'arc. Les couteaux de tous les pôles sont réunis par un rouleau isolant dont le mouvement est transmis par la tige 5. Le manche est monté sur la face avant du meuble, et la partie contact est à l'intérieur du meuble. Ainsi, les opérations avec l'interrupteur sont sécurisées pour le personnel. Avec un tel interrupteur, vous pouvez couper le courant nominal dans les installations de 380 V et 50 % du courant nominal dans les installations de 500 V.

Riz. 33. Interrupteur avec entraînement à levier

Les interrupteurs automatiques sont conçus pour commuter des circuits lors de courants de court-circuit et de surcharges, ainsi que pour de rares activations et désactivations de circuits en mode normal.

Dans les installations jusqu'à 1 kV, des disjoncteurs de différentes conceptions et objectifs sont utilisés. Les disjoncteurs les plus utilisés sont les séries ABM, AM, A-3700 et E.

Tous les disjoncteurs sont équipés d'extincteurs d'arc 1 et principal 2 contacts (Fig. 34). Les contacts principaux (cuivre, argent) ont une faible résistance de contact et peuvent supporter des courants nominaux élevés pendant une longue période. Des contacts d'extinction d'arc en métal-céramique sont inclus en parallèle avec les principaux.

Impulsion de commutation via connexion mécanique 6 influence les leviers 5 mécanisme de fendage libre, les « brise » le long de l'articulation charnière O 2 et du levier de contact 3 sous l'action du ressort de déclenchement 4 tourne dans le sens antihoraire. Dans ce cas, les contacts principaux puis les contacts d'arc sont coupés d'abord. L'arc résultant, sous l'influence de forces électrodynamiques, est aspiré dans une chambre d'extinction d'arc dotée d'un réseau déionique de plaques métalliques. 9, où il se divise en un certain nombre d'arcs courts et sort. L'interrupteur est allumé par la poignée 7 ou par un entraînement électromagnétique 8.

Riz. 34. Principaux composants du disjoncteur

Selon le type de disjoncteur, l'impulsion de déclenchement peut être créée par un déclencheur électromagnétique qui répond aux courants de court-circuit, un déclencheur thermique qui répond à une surcharge ou un déclencheur qui répond à une réduction de tension. Un arrêt à distance via un déclencheur indépendant est possible.

Les interrupteurs automatiques sont fabriqués en versions fixes et débrochables. Les caractéristiques des disjoncteurs seront abordées plus en détail au cours du cours.

Questions d'auto-test :

· Disjoncteurs.

· Commutateurs.

· Commutateurs.

· Commutateurs automatiques.

Appareils électriques est un appareil qui contrôle les consommateurs électriques et les sources d'énergie, et utilise également l'énergie électrique pour contrôler les processus non électriques.

Les appareils électriques à usage industriel général, les appareils et appareils électroménagers sont produits avec des tensions allant jusqu'à 1 kV, haute tension - supérieures à 1 kV. Jusqu'à 1 kV, ils sont divisés en dispositifs de commande manuels et à distance, dispositifs de protection et capteurs.

Les appareils électriques sont classés selon plusieurs critères :

1. selon sa destination, c'est-à-dire la fonction principale assurée par l'appareil,

2. selon le principe de fonctionnement,

3. par la nature du travail

4. type de courant

5. valeur actuelle

6. valeur de tension (jusqu'à 1 kV et plus)

7. exécution

8. degré de protection (IP)

9. par conception

Caractéristiques et domaines d'application des appareils électriques

Classification des appareils électriques selon leur destination :

1. Appareils de controle, conçu pour le démarrage, la marche arrière, le freinage,contrôle de vitesserotation, tension, courant de machines électriques, machines-outils, mécanismes, ou pour démarrer et réguler les paramètres d'autres consommateurs d'électricité dans les systèmes d'alimentation électrique. La fonction principale de ces appareils est de contrôler les entraînements électriques etd'autres consommateurs d'énergie électrique. Caractéristiques : allumages fréquents, extinctions jusqu'à 3600 fois par heure, soit 1 fois par seconde.

Il s'agit notamment de l'électricité dispositifs de commande manuelle- contrôleurs et contrôleurs de commande, rhéostats, etc., et électriques appareils de contrôle à distance- , contacteurs, etc.

2. Les dispositifs de protection sont utilisés pour commuter les circuits électriques, protégeant les équipements électriques et les réseaux électriques contre les surintensités, c'est-à-dire les courants de surcharge, les courants de pointe, les courants de court-circuit.

Ceux-ci incluent, etc.

3. Appareils de controle, sont conçus pour surveiller des paramètres électriques ou non électriques spécifiés. Ce groupe comprend des capteurs. Ces appareils convertissent des grandeurs électriques ou non électriques en grandeurs électriques et fournissent des informations sous forme de signaux électriques. La fonction principale de ces appareils est de contrôler des paramètres électriques et non électriques spécifiés.

Ceux-ci incluent des capteurs de courant, de pression, de température, de position, de niveau, des photocapteurs, ainsi que des relais qui mettent en œuvre des fonctions de capteur, par exemple la tension et le courant.

Classification des appareils électriques selon leur principe de fonctionnement

Selon le principe de fonctionnement, les appareils électriques sont répartis en fonction de la nature de l'impulsion agissant sur eux. En fonction des phénomènes physiques sur lesquels repose le fonctionnement des appareils, les catégories les plus courantes sont :

1. Commutation d'appareils électriques pour la fermeture et l'ouverture de circuits électriques à l'aide de contacts interconnectés pour assurer le passage du courant d'un contact à l'autre ou éloignés les uns des autres pour couper le circuit électrique (interrupteurs, interrupteurs, ...)

2. Appareils électriques électromagnétiques, dont l'action dépend des forces électromagnétiques apparaissant lors du fonctionnement de l'appareil (contacteurs, relais, ...).

3. Appareils électriques à induction, dont l'action est basée sur l'interaction du courant et du champ magnétique ().

4. Inducteurs(réacteurs, selfs de saturation).

Classification des appareils électriques par nature de fonctionnement

De par la nature de leur fonctionnement, les appareils électriques se distinguent selon le mode du circuit dans lequel ils sont installés :

1. Les appareils qui fonctionnent longtemps,

2. destiné à un fonctionnement à court terme,

3. travailler dans des conditions de charge répétée à court terme.

Classification des appareils électriques par type de courant

Par type de courant : continu et alternatif.

Exigences pour les appareils électriques

Les variétés de conception des appareils modernes sont particulièrement diverses et leurs exigences sont donc également différentes. Il existe cependant certaines exigences générales, quels que soient l'objectif, l'application ou la conception des appareils. Ils dépendent de la destination, des conditions de fonctionnement et de la fiabilité requise des appareils.

L'isolation d'un appareil électrique doit être calculée en fonction des conditions d'éventuelles surtensions pouvant survenir lors du fonctionnement de l'installation électrique.

Les appareils destinés à la mise sous et hors tension fréquente du courant de charge nominal doivent avoir une résistance à l'usure mécanique et électrique élevée et la température des éléments porteurs de courant ne doit pas dépasser les valeurs admissibles.

Lors de courts-circuits, la partie conductrice de courant de l'appareil est soumise à des charges thermiques et dynamiques importantes, provoquées par un courant élevé. Ces charges extrêmes ne doivent pas interférer avec le fonctionnement normal de l'appareil.

Les appareils électriques dans les circuits des appareils électriques modernes doivent avoir une sensibilité, une vitesse et une polyvalence élevées.

L'exigence générale pour tous les types d'appareils est la simplicité de leur conception et de leur entretien, ainsi que leur efficacité (petite taille, légèreté de l'appareil, quantité minimale de matériaux coûteux pour la fabrication des pièces individuelles).

Modes de fonctionnement des appareils électriques

Le mode de fonctionnement nominal est un mode dans lequel un élément du circuit électrique fonctionne aux valeurs de courant, tension, puissance précisées dans la fiche technique, qui correspond aux conditions de fonctionnement les plus favorables en termes d'efficacité et de fiabilité (durabilité) .

Fonctionnement normal- mode lorsque l'appareil fonctionne avec des paramètres de mode légèrement différents de ceux nominaux.

Opération d'urgence- il s'agit d'un mode dans lequel les paramètres de courant, de tension et de puissance dépassent ceux évalués de deux fois ou plus. Dans ce cas, l'objet doit être désactivé. Les modes d'urgence incluent le passage de courants de court-circuit, de courants de surcharge et une diminution de la tension dans le réseau.

Fiabilité – fonctionnement sans problème de l’appareil tout au long de son fonctionnement.

Propriété d'un appareil électrique à remplir des fonctions spécifiées, en maintenant dans le temps les valeurs d'indicateurs opérationnels établis dans des limites spécifiées, correspondant à des modes et conditions d'utilisation, d'entretien et de réparation, de stockage et de transport spécifiés.

Conception des appareils électriques selon le degré de protection

Déterminé par GOST 14254-80. Conformément à GOST, 7 degrés sont établis de 0 à 6 à partir de la pénétration de solides et de 0 à 8 à partir de la pénétration de liquides.

Désignation des degrés de protection	Protection contre la pénétration de corps solides et le contact du personnel avec des pièces sous tension et en rotation.	Protection contre la pénétration de l'eau.
	Il n'y a pas de protection particulière.
	Une grande partie du corps humain, comme le bras et les corps solides de plus de 50 mm.	Gouttes tombant verticalement.
	Doigts ou objets ne mesurant pas plus de 80 mm et corps solides mesurant plus de 12 mm.	Baisse lorsque la coque est inclinée jusqu'à 15 0 dans n'importe quelle direction par rapport à la position normale.
	Outils, fils et solides d'un diamètre supérieur à 2,5 mm.	Pluie tombant sur la coque à un angle de 60 0 par rapport à la verticale.
	Fils, solides de plus de 1 mm.	Des éclaboussures tombant sur la coque dans toutes les directions.
	Poussière en quantité insuffisante pour perturber le fonctionnement du produit.	Jets lancés dans toutes les directions.
	Protection complète contre la poussière (anti-poussière).	Vagues (l'eau ne doit pas pénétrer à l'intérieur pendant les vagues).
		Lorsqu'il est immergé dans l'eau pendant une courte période.
		Lors d'une immersion prolongée dans l'eau.

L'abréviation « IP » est utilisée pour indiquer le degré de protection. Par exemple : IP54.

En ce qui concerne les appareils électriques, il existe les types d'exécution suivants :

1. Protégé IP21, IP22 (pas inférieur).

2. IP23, IP24 résistant aux éclaboussures et aux chutes

3. IP55 étanche, IP56

4. IP65 antipoussière, IP66

5. Fermés IP44 - IP54, ces appareils disposent d'espaces internes isolés de l'environnement externe

6. Scellé IP67, IP68. Ces appareils sont fabriqués avec une isolation particulièrement étanche de l’environnement.

Performance climatiqueappareil électrique déterminé par GOST 15150-69. Conformément aux conditions climatiques, il est désigné par les lettres suivantes : U (N) - climat tempéré, HL (NF) - climat froid, TB (TH) - climat tropical humide, TC (TA) - climat tropical sec, O ( U) - toutes les zones climatiques, terrestres, fluviales et lacustres, M – climat maritime tempéré, OM – toutes les zones marines, B – toutes les zones macroclimatiques terrestres et maritimes.

1. À l'extérieur,

2. Pièces dans lesquelles les fluctuations de température et d'humidité ne diffèrent pas sensiblement des fluctuations à l'air libre,

3. Espaces fermés avec ventilation naturelle sans régulation artificielle des conditions climatiques. Il n'y a pas d'exposition au sable et à la poussière, au soleil et à l'eau (pluie),

4. Locaux avec régulation artificielle des conditions climatiques. Il n'y a pas d'exposition au sable et à la poussière, au soleil et à l'eau (pluie), à ​​l'air extérieur,

5. Pièces très humides (présence prolongée d'eau ou humidité condensée)

Sélection d'appareils électriques

Le choix des appareils électriques est une tâche dans laquelle doivent être pris en compte :

• courants, tensions et puissances commutés par un appareil électrique ;
• paramètres et nature de la charge - résistance active, inductive, capacitive, faible ou élevée, etc. ;
• nombre de circuits commutés ;
• tensions et courants des circuits de commande ;
• tension de bobine d'appareil électrique;
• mode de fonctionnement de l'appareil - court terme, long terme, intermittent ;
• conditions de fonctionnement de l'appareil - température, humidité, pression, vibration, etc. ;
• méthodes de montage de l'appareil ;
• indicateurs économiques et de poids et de taille ;
• facilité d'appairage et compatibilité électromagnétique avec d'autres appareils et appareils ;
• résistance aux surcharges électriques, mécaniques et thermiques ;
• catégorie de modification climatique et de placement ;
• degré de protection IP,
• exigences de sécurité ;
• hauteur au-dessus du niveau de la mer;

conditions d'utilisation.

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Le livre décrit les bases de la conception, du calcul, des tests et de la sélection des équipements de commutation pour les appareillages basse tension - interrupteurs et fusibles automatiques et non automatiques ; en outre, les structures de base sont décrites.

L'ouvrage est destiné aux ingénieurs électriciens impliqués dans la conception et la recherche d'équipements, la conception d'installations électriques et leur fonctionnement.

Kuznetsov Rostislav Sergueïevitch, Appareillages basse tension, 1962.

INTRODUCTION

L'énergie électrique générée par les générateurs des centrales électriques est transmise sur de longues distances à de nombreux récepteurs - moteurs, chauffage, éclairage et appareils similaires. La distribution de l'énergie entre les récepteurs et le contrôle du fonctionnement des sources d'énergie, des lignes de transmission et des récepteurs sont effectués à l'aide de quatre groupes d'appareils électriques qui diffèrent considérablement par leur objectif et leur conception.

Le premier groupe comprend les appareils qui servent principalement à allumer et éteindre les circuits principaux des systèmes qui génèrent de l'énergie électrique et à la transmettre au consommateur. Ils sont appelés appareillages de commutation. Ces appareils allument ou éteignent le circuit sous l'influence du personnel de maintenance (de manière non automatique) ou sans cette influence (automatiquement). Pour certains appareils, le fonctionnement automatique est effectué lorsqu'il est exposé à leur circuit électrique auxiliaire, qui est fermé ou ouvert à l'aide d'autres dispositifs automatiques - relais.

Le deuxième groupe comprend des relais et des régulateurs qui protègent et contrôlent le fonctionnement des générateurs, des transformateurs, des lignes de transmission et des récepteurs en influençant divers circuits auxiliaires.

Le troisième groupe comprend les dispositifs de contrôle qui contrôlent le fonctionnement des récepteurs d'énergie électrique, par exemple : démarrage, contrôle de vitesse, freinage, marche arrière des moteurs. Les équipements de contrôle comprennent, par exemple : les contacteurs, les démarreurs, les contrôleurs, les dispositifs de commande, les rhéostats, les relais qui protègent et contrôlent le fonctionnement de l'entraînement électrique.

Le quatrième groupe comprend les appareils spécialement conçus pour automatiser les processus technologiques. Ceux-ci incluent des capteurs qui créent des signaux dans les circuits de contrôle qui correspondent à certains paramètres du processus technologique en cours, ainsi que des dispositifs qui convertissent ces signaux, génèrent, mettent en œuvre, contrôlent un programme qui détermine le déroulement souhaité du processus technologique et envoient des signaux à dispositifs de commande qui contrôlent les actionneurs des moteurs électriques.

Ce livre fournit des informations de base sur la conception, la conception et le fonctionnement des équipements de commutation, qui sont généralement installés dans les réseaux AC pour des tensions jusqu'à 660 V et dans les réseaux DC pour des tensions jusqu'à 440 V. Certains appareils sont conçus pour des tensions supérieures à 440 VCC. Par conséquent, à proprement parler, ils ne peuvent pas toujours être qualifiés de basse tension ; cependant, dans leur conception, les appareils destinés aux réseaux basse tension (jusqu'à 380 V avec un neutre mis à la terre) diffèrent peu des appareils à tension légèrement supérieure. Les équipements de commutation CA pour des tensions de 3 kV et plus ne sont pas pris en compte dans ce livre.

Le livre couvre principalement les équipements à usage général. Des informations plus détaillées sur les équipements spéciaux peuvent être trouvées dans les manuels correspondants.

Chapitre premier

OBJECTIF ET CLASSIFICATION DES DISPOSITIFS ET EXIGENCES POUR EUX

1-1. OBJECTIF ET CLASSIFICATION

Les appareils de commutation des appareils de distribution remplissent deux fonctions :

la mise sous tension et hors tension non automatique des circuits électriques, qui sont effectués lorsqu'il est nécessaire d'alimenter ou de couper l'alimentation d'une section du réseau ;

arrêt automatique des circuits électriques en cas d'apparition de phénomènes anormaux menaçant la sécurité du personnel d'exploitation ou la sécurité de l'installation (par exemple en cas de court-circuit). Parfois, les appareils allument automatiquement une source d'énergie de secours ou se rallument automatiquement après un arrêt d'urgence.

Il existe trois groupes d'appareillages de commutation :

disjoncteurs ou disjoncteurs abrégés ;

fusibles ou fusibles pour faire court ;

interrupteurs non automatiques.

Parfois, ces dispositifs sont installés avec des équipements de contrôle et des dispositifs de contrôle des entraînements électriques (postes de contrôle, démarreurs magnétiques, etc.).

Les interrupteurs automatiques remplissent pleinement les première et deuxième fonctions mentionnées ci-dessus : ils servent à la fois à la commutation non automatique et à la commutation automatique dans toutes sortes de conditions anormales (surintensité, surtension, courant inverse, coupure de tension, etc.).

Les fusibles remplissent partiellement la deuxième fonction : ils coupent uniquement le circuit et uniquement dans un type de condition anormale : en cas de surintensité. Leur particularité est la fusion du métal à des courants élevés, ce qui entraîne une rupture du circuit de courant.

Les interrupteurs non automatiques remplissent uniquement la première des fonctions ci-dessus : la mise sous et hors tension non automatique des circuits.

Les appareils de distribution sont un groupe d'appareils de commutation qui sont électriquement interconnectés et forment un tout structurel. Les fonctions qu'ils remplissent sont déterminées par la composition des appareils qu'ils contiennent. En plus des principaux équipements de commutation, des instruments de mesure, des rhéostats, des relais, des régulateurs, des dispositifs de signalisation, etc. peuvent également être installés dans les appareillages.

Les appareils de distribution sont installés aux endroits suivants :

au niveau de la source d'énergie (du côté secondaire des transformateurs abaisseurs, des générateurs ou des redresseurs à mercure) ;

dans les endroits où il est nécessaire de répartir l'énergie dans plusieurs directions ;

sur les branches vers des récepteurs d'énergie individuels.

Chacun des groupes d'appareils ci-dessus, en fonction des principes de conception qui les sous-tendent, des indicateurs caractérisant leur fonctionnement dans des conditions anormales et de la protection contre l'influence de l'environnement extérieur, est divisé en un certain nombre de sous-groupes. De plus, tous les appareils diffèrent par :

le type de courant et la fréquence du courant alternatif de l'appareil et de ses bobines ;

tension nominale de l'appareil et des bobines de dérivation de ses électro-aimants ;

courant nominal de l'appareil, bobines en série de ses électro-aimants et de ses radiateurs ;

nombre de circuits commutés.

Les appareils fonctionnent à des fréquences allant jusqu'à 10 000 Hz. Le plus courant est la conception d'appareils avec une fréquence nominale de courant alternatif de 50 Hz. Les bobines shunt des électro-aimants sont conçues pour une fréquence ne dépassant pas 60 Hz.

Les appareils sont conçus pour fonctionner à des tensions CA nominales de 127, 220, 380, 500 et 660 V et à des tensions CC de 24 à 32 V, 110, 220, 440, 825, 1 650 et 3 300 V. Les tensions de 500 VAC sont rares et uniquement dans les installations plus anciennes. Dans l’industrie, la tension la plus courante est de 380 V. Des réseaux d'une tension de 660 V ont été récemment utilisés dans les mines ; Ils devraient être utilisés dans des entreprises chimiques et autres où les récepteurs d'énergie sont dispersés. Actuellement, la tension de 660 V ne fait pas encore partie des tensions standard prévues par GOST, mais elle devrait être introduite dans un avenir proche.

Les circuits principaux des appareils sont généralement conçus pour des tensions de 220 et 380 VV, plus récemment 660 VAC et 30, 220, 440, 825, 1 650 et 3 300 VDC. Les bobines shunt des appareils sont conçues pour différentes tensions standard et non standard, mais généralement pas plus de 380 V AC et 220 V DC. Les bobines ne fonctionnent pas de manière fiable à des tensions plus élevées.

Les appareils sont conçus pour différents courants nominaux de 6 à 25 000 A. Les bobines série des appareils sont conçues pour des courants nominaux de 0,05 à 25 000 A.

Les appareils sont divisés en unipolaires, bipolaires et tripolaires, en fonction du nombre de fils de la ligne. Parfois, ils comportent un plus grand nombre de pôles.

3.1 PRINCIPES GÉNÉRAUX DE CRÉATION DE DISPOSITIFS À SEMI-CONDUCTEURS CC

Le thyristor est commuté dans un état conducteur en appliquant à son entrée un signal de commande d'une certaine durée et amplitude. Après avoir supprimé l'impulsion de commande, le thyristor reste allumé indéfiniment, à moins que le courant dans son circuit anodique ne diminue jusqu'à une valeur inférieure au courant de maintien I H. Par conséquent, lors de l'utilisation de thyristors comme éléments de commutation, non seulement pour la fermeture, mais également pour l'ouverture de circuits à courant continu, il est nécessaire de recourir à des mesures artificielles pour assurer une interruption à court terme du courant dans le circuit anodique des thyristors ou sa réduction à des valeurs

je un> Je H.

En pratique, cela peut être mis en œuvre à l’aide de circuits simples illustrés à la figure 3.1. Dans le diagramme (sur la figure 3.1, UN) le courant de charge est coupé en ouvrant le contact mécanique S1, connecté en série avec le thyristor VS. Après un temps suffisant pour restaurer la contrôlabilité du thyristor, le contact S1 peut être à nouveau fermé. Dans ce cas, le circuit reste ouvert, puisque le thyristor est à l'état bloqué. Le circuit fonctionne de la même manière lorsque le thyristor est contourné à court terme avec un contact fermé S2, dont la connexion est représentée sur la figure 3.1 avec des lignes pointillées.

Dans les deux cas, les contacts mécaniques transportent le courant à pleine charge et doivent être adaptés à celui-ci. L'inconvénient de tels circuits est également que les thyristors qu'ils contiennent, lorsque les contacts reviennent à leur état d'origine, sont exposés à une tension continue avec des valeurs élevées. du/dt.

Figure 3.1 - Schémas schématiques du thyristor

Appareils à courant continu

Une version améliorée du dispositif de commutation est le circuit illustré à la figure 3.1, b. La séquence de ses travaux est la suivante. A l'état initial, le thyristor est fermé, la tension à la charge RH et condensateur CK absent.

Le circuit est activé par un signal de commande, qui doit être appliqué à l'entrée du thyristor (électrode de commande-cathode). Dans ce cas, simultanément au courant de charge IH =U/RH, le courant de charge du condensateur traverse le thyristor CK. Le condensateur est chargé avec la polarité indiquée sur la figure dans un temps déterminé par la constante de temps du circuit τ = R 1 C K.

Par la fermeture ultérieure du contact S, le condensateur C K, chargé presque à la tension de la source d'alimentation, est connecté en parallèle avec le thyristor. Il commence à se décharger. De plus, le courant de décharge traverse le thyristor dans le sens opposé au courant anodique.

Si le courant dépasse je C courant anodique Je H les conditions sont créées pour désactiver le thyristor et, par conséquent, mettre la charge hors tension. Cette méthode de coupure du thyristor, dite forcée (artificielle), capacitive, est préférable, car elle permet de réduire le temps de restauration de la contrôlabilité du thyristor et la vitesse d'application de la tension dans le sens direct, immédiatement après la commutation du courant .

Dans la figure 3.1, V Un autre schéma d'un dispositif à thyristors est présenté, illustrant l'utilisation d'une commutation artificielle capacitive. Contrairement au diagramme de la figure 3.1, b Le condensateur C K qu'il contient est initialement chargé à la tension de la source d'alimentation. Par conséquent, lorsque le thyristor est activé CONTRE avec une impulsion de commande, le courant de charge et le courant de décharge du condensateur C K commencent à le traverser (Figure 3.2). Pendant le deuxième demi-cycle de recharge oscillatoire du condensateur, lorsque le courant je C, dirigé à l'encontre du courant anodique dans le thyristor (courant de charge), devient plus grand, le thyristor se désactive (Figure 3.2). À partir de ce moment, la tension résiduelle sur le condensateur C K agit en fonction de la tension de l'alimentation, de sorte que le courant de charge augmente fortement puis diminue au fur et à mesure que le condensateur est rechargé. L'égalisation finale du courant dans le circuit se produit au moment t z, ce qui correspond à la fin de la recharge du condensateur.

La tension inverse aux bornes du thyristor est maintenue pendant un certain temps t c = t 2 - t 1. Ce temps est appelé temps de circuit, car il est déterminé par les paramètres des éléments du circuit - dans ce cas, la capacité du condensateur de commutation. CK et inductance de la bobine LK.

Dans les circuits considérés (sauf pour la figure 3.1), l'interruption du courant est assurée essentiellement par des dispositifs à contact traditionnels. Par conséquent, la présence de thyristors n’apporte aucun avantage. Quant au mode de commutation, il est réalisé par des thyristors, et dans ce cas leurs capacités en termes de vitesse, de disponibilité au travail, etc. sont réalisées.

L'objectif principal de ces appareils est de connecter des charges avec une précision temporelle élevée, ainsi que de modifier les paramètres du circuit ( R, L, C) pour diverses études expérimentales de processus transitoires, connexion automatique des alimentations électriques. Dispositif de commutation (Figure 3.1, V) en plus d'interrompre le courant dans le circuit, génère des impulsions de courant (puissance). Ceci peut être utilisé pour réguler la puissance de sortie selon un programme donné, défini par le système de contrôle des thyristors.

Figure 3.2 - Chronogrammes du fonctionnement du circuit,

illustré à la figure 3.1

Les paramètres des impulsions de courant (amplitude, durée, forme) peuvent être modifiés en modifiant la tension de la source d'alimentation et les paramètres des éléments du circuit de commutation.

3.2 COMMUTATEUR À THYRISTOR CC HAUTE VITESSE

La commutation forcée (coupure) des thyristors constitue la base du fonctionnement des dispositifs CC à semi-conducteurs et un moyen d'augmenter la vitesse lors de la coupure des dispositifs CA. Il existe différentes solutions de circuit qui permettent de réduire à court terme le courant dans le circuit avec les thyristors à zéro et de les désactiver. Mais seuls les circuits à commutation forcée par condensateur ont trouvé une application pratique dans les appareils électriques, dont le principe de fonctionnement est discuté dans l'exemple de la figure 3.1, b et C. Les options pour la construction de circuits à commutation forcée et les méthodes pour leur calcul sont discutées dans les ouvrages. Nous notons ici qu'en termes de structure qui détermine la connexion des éléments du circuit de commutation et sa connexion aux thyristors commutables, les unités de commutation forcée dans les appareils à courant alternatif et dans les appareils à courant continu présentent des différences significatives. Cependant, le principe de leur fonctionnement, les tâches et les méthodes de calcul des éléments de contour sont communs. Par conséquent, les principales tâches de conception de tels dispositifs sont discutées ci-dessous, en utilisant l'exemple d'un simple circuit de commutation CC (Figure 3.3). En termes de nature des processus qui se produisent, cela ne diffère pratiquement pas du schéma déjà évoqué sur la figure 3.1, b. Cependant, le remplacement du contact mécanique par un thyristor VS2 supplémentaire peut améliorer considérablement les caractéristiques de commutation de l'appareil et le rendre plus sensible au contrôle.

La figure montre que le thyristor auxiliaire (de commutation) CONTRE 2 peut être allumé soit à partir de la tension de l'anode (en fermant le bouton « Stop »), soit à partir de la tension prélevée sur la résistance de mesure - shunt Rw. Dans ce dernier cas, la tension sur le shunt doit dépasser une valeur égale à U = U GT + U F + U C, Où UGT− tension de commande suffisante pour ouvrir le thyristor de manière fiable CONTRE 2; U.F.− chute de tension aux bornes de la diode VD2 Et UC− tension de stabilisation (commutation) de la diode Zener VD1.

Dans les modes de fonctionnement d'urgence, accompagnés d'une augmentation multiple du courant par rapport au courant nominal, le circuit est automatiquement désactivé lorsque le thyristor est activé CONTRE 2. En ajustant la résistance Rw et sélectionner une diode Zener en fonction du paramètre UC Vous pouvez prérégler la valeur du courant de surcharge ou du courant de court-circuit (SC) à laquelle le disjoncteur se déclenchera. De plus, la vitesse élevée de l'interrupteur permet d'interrompre le courant de court-circuit bien avant le moment où il atteint sa valeur maximale.

En mode en ligne, l'activation et la désactivation des courants nominaux s'effectuent en fermant les circuits de commande des thyristors CONTRE 1 Et CONTRE 2, respectivement, avec les boutons de commande « Start » et « Stop ». La limitation du courant dans les circuits de commande des thyristors est réalisée par des résistances RY. Le fonctionnement du circuit dans ce mode avec une charge active est illustré par des chronogrammes sur la figure 3.4

Figure 3.3 - Thyristor automatique

changer

Pour désactiver de manière fiable le thyristor CONTRE 1 il faut que le temps de circuit c'est, indiqué sur le graphique de changement de tension u VS 1 =f(t), il y avait plus de temps pour éteindre le thyristor. Sinon, le thyristor peut redevenir conducteur sous l'influence d'une tension continue qui lui est appliquée pendant le processus de recharge du condensateur (voir également la figure 3.2).

La capacité minimale du condensateur pour maintenir la tension inverse aux bornes du thyristor CONTRE 1 pendant un temps c'est, peut être déterminé à partir de l'analyse des processus de commutation se produisant immédiatement après la mise sous tension du thyristor CONTRE 2.

En supposant que la capacité de coupure du thyristor CONTRE 1 dans le sens opposé est rétabli instantanément (courant inverse je R manquant), l'équation de décharge du condensateur après la mise sous tension du thyristor CONTRE 2écrivons-le sous la forme

Où U− tension d'alimentation ;

je− courant passant par des appareils connectés en série R n C K , VS 2.

Figure 3.4 - Processus électromagnétiques pendant l'arrêt

Commutateur CC

La solution de cette équation est connue :

Tension du condensateur De à, qui est aussi la tension sur le thyristor CONTRE 1, se trouve en intégrant l’expression (3.1) :

À un moment donné t = t 2 - t 1 = t c tension des thyristors CONTRE 1 est égal à zéro et, par conséquent, à partir de l'expression (3.2) nous obtenons

En prenant le logarithme de cette expression, on peut déterminer la relation entre la capacité du condensateur De à et temps de circuit

Considérant que la relation entre la résistance RH et courant dans le circuit commuté Je Kà la tension source U est exprimé par la formule U = RH I K, la dernière équation peut être réécrite comme suit

Arrêt fiable des thyristors CONTRE 1, ayant un temps d'arrêt égal à tq, sera à t s >> t q k q, Où k q= 1,5...2 – coefficient prenant en compte le changement tq en cas de différence de température PN-structure, courant de commutation, tension inverse et vitesse d'application de la tension directe avec valeurs de classification. Par conséquent, la capacité minimale du condensateur de commutation doit satisfaire à la condition

Si la charge est active-inductive, alors pour assurer la dissipation de l'énergie stockée dans les éléments inductifs au moment où le courant est interrompu, elle doit être shuntée avec une diode, comme le montre la figure 3.3 avec une ligne pointillée. Calcul SK dans ce cas, on part de l'hypothèse que le courant de charge reste inchangé pendant tout l'intervalle de commutation. Condensateur SK dans ce cas, il sera déchargé à vitesse constante, et la tension à ses bornes change selon l'équation

Comme pour une charge résistive, le temps de circuit c'est est déterminé par la période de temps après laquelle la tension inverse sur le thyristor diminue jusqu'à zéro. Par conséquent, lors de la substitution dans l’expression (3.5) c'est au lieu de t nous avons t avec t K /C K = 0. Sous réserve de la condition t с ≥ t q k q De cette expression découle directement la formule pour déterminer la capacité minimale du condensateur :

Il convient de souligner que les expressions (3.4) et (3.6) ont été obtenues sans tenir compte des inductances et des résistances actives que possèdent les éléments du circuit, y compris les fils de connexion. Ces résistances limitent la valeur maximale du courant dans le circuit de commutation et la vitesse de son augmentation.

Cependant, si le dispositif est conçu pour couper les courants de secours, l'auto-inductance des éléments du circuit est insuffisante pour limiter di/dtà des valeurs supportables par les thyristors basse fréquence. Dans ce cas, il est nécessaire de connecter une inductance supplémentaire en série avec le thyristor de commutation. LK(sur la figure 3.3, cela correspond au déplacement du commutateur S en position 2). Paramètres des éléments du circuit de commutation lors du shuntage d'un thyristor de puissance CONTRE 1 Les diodes connectées en inverse sont déterminées par les expressions

Où Uc 0− tension de précharge du condensateur.

Le taux maximum d'augmentation du courant dans le circuit de commutation, qui détermine le choix du groupe de thyristors VS2 en fonction (di/dt) critique, est déterminé par la formule

di/dt = (Uc 0 /L K) 10 6.

En ce qui concerne les schémas de processus transitoires (Figure 3.4), nous soulignons les caractéristiques caractéristiques des interrupteurs à commutation capacitive des thyristors.

1. Lorsque le thyristor de commutation est activé, la source d'alimentation et le condensateur chargé à la tension source sont connectés en série. Cela provoque une augmentation soudaine du courant dans le circuit jusqu'à une valeur JE N = 2U/R N, ce qui a un effet néfaste sur la charge, en particulier lorsque les courants de secours sont coupés.

2. Intervalle de temps t = t 3 – t 1, pendant lequel le condensateur SK recharge, détermine la vitesse du disjoncteur à l'arrêt et la fréquence de commutation. Lorsque le thyristor est rallumé CONTRE 1 le condensateur doit être rechargé à nouveau et garantir ainsi la disponibilité pour l'arrêt ultérieur de l'appareil. Pour réduire le temps de recharge du condensateur C K, important lorsque le disjoncteur fonctionne en mode réenclenchement automatique, il est nécessaire de réduire la constante du circuit de charge τ = R 1 C K. Considérant que la capacité SKà cause du temps de circuit c'est, cela peut être obtenu en réduisant la résistance de la résistance R1.

3. Le processus de coupure du courant dans le circuit de charge se termine par la coupure du thyristor CONTRE 2. Pour ce faire, il faut s'assurer que le courant est limité par une résistance R1(après avoir rechargé le condensateur SK) aux valeurs Je ≤ JE N thyristor. En raison du fait que le courant de maintien des thyristors puissants est de plusieurs dizaines ou centaines de milliampères, la résistance R1 doit être suffisamment grand, ce qui contredit l'exigence formulée au paragraphe 2. Par conséquent, afin de ne pas réduire la fréquence de commutation du commutateur, chargez le condensateur SK est généralement réalisée à l'aide d'un circuit de charge supplémentaire avec une faible constante de temps τ provenant d'une source d'alimentation autonome.

4. Une tâche importante lors de la création de commutateurs à commutation capacitive de thyristors est de limiter les surtensions qui se produisent sur le condensateur SK. En fonction des paramètres du circuit commuté et du mode de court-circuit, ils peuvent dépasser la valeur (1.5...2)U. Pour limiter le niveau de surtensions à des valeurs acceptables, il est nécessaire d'utiliser divers circuits d'amortissement, limiteurs non linéaires à semi-conducteurs ou à oxyde de zinc (varistors). Dans certains développements, il devient conseillé d'utiliser des unités de commutation à double circuit ou à deux étages, à l'aide desquelles une réduction du taux de décroissance du courant lors de son arrêt et une réduction significative des surtensions sont réalisées.

Si l'appareil (voir Figure 3.3) est conçu pour fonctionner uniquement avec des courants nominaux à paramètres de charge constants, les problèmes de surtensions et d'augmentations de courant à court terme ne se posent pas. Dans ce cas, sans changements fondamentaux, le circuit peut être utilisé pour mettre en œuvre de nombreuses autres fonctions. Par exemple, lors du remplacement de la résistance de charge R1 avec la deuxième charge, il est capable de remplir les fonctions d'un commutateur à grande vitesse, c'est-à-dire de connecter les charges une par une à la source d'alimentation. Si les résistances de charge sont égales, le même circuit est un déclencheur symétrique qui peut être utilisé pour contrôler des électro-aimants, des relais ou tout autre actionneur. Dans le même temps, le principe de fonctionnement du circuit, quelles que soient les fonctions qu'il remplit, reste inchangé.

3.3 MOYENS DE RÉDUIRE LES SURTENSIONS DE COMMUTATION DANS LES APPAREILS

COURANT CONTINU

Les surtensions lors de l'arrêt de l'appareil sont principalement causées par la nature oscillatoire de la recharge du condensateur de commutation. Leur niveau dépend des paramètres du circuit déconnecté et des caractéristiques dynamiques utilisées dans le circuit de puissance du SPP. Étant donné que les surtensions déterminent les exigences d'isolation des équipements protégés et d'isolation des appareils eux-mêmes et affectent les dimensions, le coût et la fiabilité des systèmes d'alimentation électrique dans leur ensemble, il est nécessaire de s'efforcer de les réduire.

Dans les dispositifs à thyristors à commutation capacitive, la limitation des surtensions peut être obtenue de différentes manières. Le plus simple d'entre eux consiste à connecter une résistance linéaire ou non linéaire en parallèle avec le condensateur, à un certain stade de sa recharge. L'essence de cette approche est d'amortir les vibrations en augmentant leur coefficient d'atténuation. L'efficacité de cette méthode est démontrée sur la base de l'analyse des processus de commutation dans un interrupteur AC. Dans les commutateurs DC, l'utilisation de résistances linéaires pour shunter les condensateurs C K est associée à la nécessité d'introduire dans le circuit une unité de commutation supplémentaire (généralement un thyristor), qui interrompt le courant dans la résistance.

L'une des conceptions possibles de commutateurs avec commutation de courant à deux étages est illustrée à la figure 3.5. La préparation à l'arrêt dans le circuit de cet appareil est assurée par la charge préalable du condensateur C K à partir du réseau avec la polarité indiquée sur la figure 3.5. Pour ce faire, vous devez allumer les thyristors CONTRE 2 Et CONTRE 5, appliquant des signaux de commande à leurs circuits d'entrée (électrode de commande - cathode). Le courant de charge du condensateur C K circule à travers les éléments du circuit L 1, L 2, R l, VS 5, SK, sauteur P, VS 2, L 3. Lorsque le condensateur se charge, le courant dans le circuit du thyristor CONTRE 2, CONTRE 5 diminue et, lorsqu'il devient inférieur au courant de maintien, les thyristors s'éteignent d'eux-mêmes. Lors d'un fonctionnement nominal à long terme, la tension aux bornes du condensateur C K diminue progressivement en raison de l'imperfection de sa propre isolation et des fuites de charge à travers les circuits à thyristors connectés au condensateur. Pour éviter une baisse significative de la tension, le système de contrôle doit assurer une mise sous tension périodique des thyristors CONTRE 2 Et CONTRE 5. En conséquence, sur le condensateur SK une tension constante sera automatiquement maintenue, presque égale à la tension du secteur. Réacteurs L1, L2, L3 dans le circuit sont nécessaires pour limiter le taux d'augmentation du courant lorsque les thyristors sont activés et pour mettre en œuvre le mode oscillatoire des processus transitoires.

Si un court-circuit se produit et que le courant atteint la valeur définie je(Figure 3.6) le système de contrôle allume les thyristors CONTRE 3 Et CONTRE 4. En conséquence, comme dans tous les circuits évoqués précédemment, le thyristor se bloque CONTRE 1. Après avoir changé la polarité de la tension sur le condensateur et l'avoir augmentée jusqu'à la valeur spécifiée U m 1 le système de contrôle émet un signal pour allumer le thyristor CONTRE 5. Dans ce cas, une résistance est connectée en parallèle avec le condensateur R1, contribuant ainsi à limiter l'augmentation supplémentaire de la tension aux bornes du condensateur SK. À partir de ce moment, la tension aux bornes du condensateur diminue parallèlement à une diminution du courant de commutation.

Le condensateur est déchargé à travers un thyristor CONTRE 3, et après l'avoir éteint - via une diode VD1. La deuxième étape des processus de commutation commence immédiatement après la mise hors tension du thyristor. CONTRE 3 et réduire le courant à une valeur déterminée par la résistance totale du circuit externe et de la résistance R1.

Figure 3.5 – Commutateur à thyristors avec

commutation de courant à deux étages

Figure 3.6 – Processus de commutation dans le circuit (Figure 3.5)

En ce moment ( t 2, sur la figure 3.6), le système de contrôle active le thyristor CONTRE 2, et le courant commence à circuler dans le circuit R l, VS 5, SK, P, VS 2 Et VD2. En conséquence, la tension aux bornes du condensateur change à nouveau de polarité. Lorsqu'il atteint la valeur U m 2à un moment donné t 3 le courant de charge est complètement interrompu.

La polarité de la tension sur le condensateur après la mise hors tension correspond à l'état initial, l'interrupteur est à nouveau prêt à fonctionner. De plus, dans le cas considéré, qui correspond au caractère inductif de la charge, la tension sur le condensateur dépasse largement la tension du réseau. Avec une charge active, la tension aux bornes du condensateur n'atteint pas la valeur U m 1 donc pas besoin d'allumer les thyristors CONTRE 5 Et CONTRE 2. Dans ce cas, même après avoir coupé le courant, la tension résiduelle sur le condensateur UC< U . Pour garantir la disponibilité opérationnelle, le condensateur doit être rechargé.

Les avantages des schémas de circuit avec commutation de courant à deux étages incluent une utilisation optimale des condensateurs, des performances et une fréquence de commutation plus élevées. Cependant, ceci est réalisé en compliquant considérablement l'unité de commutation et le système de contrôle, qui doivent répondre à de nombreux paramètres du processus transitoire et fournir une certaine séquence de commutation des thyristors.

Une autre possibilité de créer des dispositifs à courant continu avec de faibles surtensions de commutation et une structure simple est associée au développement et au développement de thyristors à coupure. La principale caractéristique distinctive de ces dispositifs par rapport aux thyristors conventionnels est leur capacité à être désactivés par une impulsion de courant dans le circuit de commande. La possibilité fondamentale de développer de tels dispositifs a été confirmée dans les années 50, et déjà dans les années 60, l'industrie maîtrisait des dispositifs capables de commuter des courants jusqu'à 5A à une tension de 100...200V. Des progrès rapides dans la création de thyristors de coupure de haute puissance ont été observés depuis le début des années 80. Actuellement, un certain nombre d'entreprises étrangères et en Russie produisent des dispositifs de ce type pour des courants de centaines d'ampères et des tensions supérieures à 1 000 V. Des sources littéraires rapportent le développement de thyristors à coupure avec des paramètres de courant et de tension maximaux comparables aux paramètres des thyristors conventionnels. .

Le diagramme schématique d'un dispositif à courant continu basé sur un thyristor de coupure est présenté à la figure 3.7. Son arrêt est illustré par des oscillogrammes d'évolution du courant anodique je un, tension sur le thyristor U A et contrôle du courant d'impulsion de polarité négative je G(Figure 3.8).

Un avantage important du circuit de la figure 3.7 par rapport à ceux évoqués précédemment est qu'il ne contient qu'un seul dispositif à courant élevé - un thyristor d'arrêt. CONTRE 1. Il est contrôlé par des impulsions de tension multipolaires. Lorsqu'elle est allumée, une impulsion de polarité positive (par rapport à la cathode) est fournie par un générateur d'impulsions externe aux bornes 1. Grâce à une résistance de limitation de courant R2 cette impulsion arrive à l'électrode de commande du thyristor CONTRE 1. Le processus de mise sous tension d'un thyristor verrouillable se déroule de la même manière qu'avec un thyristor conventionnel (non verrouillable).

Pour désactiver le thyristor, une impulsion de tension de polarité négative doit être appliquée à son électrode de commande. Dans le schéma représenté à la figure 3.7, il est constitué d'un circuit électrique basé sur un thyristor de faible puissance CONTRE 2. Lorsqu'une impulsion de tension provenant d'un générateur d'impulsions externe arrive à l'électrode de commande du thyristor, celui-ci s'active. Dans ce cas, le condensateur est préchargé à partir de la source d'alimentation E G C2(la polarité de charge est indiquée sur la figure) est déchargé vers le circuit d'entrée du thyristor d'arrêt CONTRE 1 dans le sens allant de la cathode à l'électrode de commande.

Connecté en parallèle au thyristor CONTRE 1 circuit constitué d'une diode VD1, résistance R1 et condensateur C1, remplit des fonctions de protection. Dans les circuits avec charges actives, il est conçu pour limiter la vitesse de montée de la tension de rétablissement. Comme le montre l'oscillogramme je UNE = f(t)(Figure 3.8), un courant environ égal à 200A est interrompu par un thyristor en moins d'une microseconde. Sans mesures particulières, cela entraînerait un rétablissement quasi instantané de la tension secteur au niveau du thyristor.

Les thyristors coupés, comme les autres SPP, sont sensibles à l'effet (du/dt) cr le, il est donc nécessaire de limiter le taux d'augmentation de la tension aux valeurs admissibles pour l'appareil utilisé. Dans le circuit de la figure 3.7, l'augmentation de la tension aux bornes du thyristor lorsqu'il est désactivé est déterminée par le taux de charge du condensateur C1, c'est-à-dire qu'un décalage temporel est prévu entre la diminution du courant dans le circuit et l'augmentation de la tension aux bornes du dispositif.

Figure 3.7 - Schéma de principe d'un dispositif à courant continu basé sur un thyristor à coupure

Figure 3.8 - Diagrammes des changements de courant et de tension

lorsque le thyristor d'arrêt est désactivé

Résistance R1 Pendant le processus de charge, le condensateur est contourné (court-circuité) par une diode, qui dans ce cas est polarisée dans le sens direct. Par conséquent, la constante de temps de charge du condensateur est déterminée uniquement par la résistance des fils de connexion, la résistance et l'inductance intrinsèques du condensateur et la résistance différentielle de la diode. Sur l'oscillogramme (Figure 3.8), l'évolution de la résistance différentielle de la diode et de l'inductance des éléments du circuit de protection se manifeste par une surtension de courte durée de la tension de récupération au moment correspondant au début de la baisse de le courant anodique.

Lorsque le thyristor d'arrêt est activé, le condensateur C1, qui est chargé à la tension de l'alimentation, est déchargé à travers une résistance R1, puisque la diode VD1 dans ce cas, il s'avère être décalé dans le sens opposé. Cela garantit que le thyristor est protégé contre le dépassement de son taux d'augmentation de courant admissible lorsqu'il est activé. Notez que la capacité du condensateur du circuit de protection, qui assure le fonctionnement normal d'un thyristor de coupure dans un circuit avec une charge active, s'élève à des unités de microfarads. En particulier, les oscillogrammes présentés sur la figure 3.8 ont été obtenus avec les paramètres de circuit suivants :

U A = 200 V ; RH = 2 ohms ; UG = 12 V ; R1 = 20 ohms ; C 1 = 2 10 -6 F.

Une interruption brutale du courant par un thyristor à coupure lorsque la charge inductive est désactivée s'accompagne non seulement d'une vitesse de récupération de tension élevée, mais également de surtensions multiples. Pour limiter les surtensions, un circuit de protection de même structure peut être utilisé (voir Figure 3.7). Cependant, la capacité du condensateur C1 dans ce cas, il peut s'agir de dizaines, voire de centaines de microfarads.

Si la résistance active de la charge est faible et que la dissipation d'énergie pendant la charge du condensateur peut être négligée, alors approximativement la capacité du condensateur peut être déterminée à partir de l'égalité des énergies.

Où L H− inductance de charge, H ;

je− courant commuté, A ;

Umax− tension maximale admissible, V.

Pour comparaison avec le mode de coupure de la charge active, nous calculons la capacité du condensateur C1 nécessaire de limiter la tension de rétablissement au niveau Umax = 1,5U lors de la déconnexion d'un circuit avec inductance L H = 10 -3 H:

A l'aide de l'expression (3.6), nous déterminons la capacité du condensateur qui serait nécessaire pour déconnecter le même circuit avec un interrupteur à commutation artificielle capacitive (voir Figure 3.3), réalisé à partir du thyristor T123-200 ( tq= 250∙10 -6 s) :

Comparaison des valeurs obtenues C1 Et SK, nous pouvons tirer une conclusion sur leur commensurabilité. Mais il faut garder à l'esprit que l'expression (3.6) détermine uniquement la condition de capacité suffisante du condensateur pour bloquer le thyristor de manière fiable. Il ne prend pas en compte les surtensions qui en résultent. Si le choix de la capacité SK réalisé en tenant compte de la limitation des surtensions, sa valeur numérique sera bien supérieure. En revanche, lors du calcul de la capacité SK les pertes d'énergie dans les éléments du circuit lors de la charge du condensateur et le taux réel de variation du courant lorsque le thyristor est désactivé n'ont pas été pris en compte ( -di/dt< ∞ ). Ces facteurs contribuent à une diminution de l'amplitude de la tension de récupération.

3.4 PRINCIPALES OPTIONS D'UTILISATION DES DISPOSITIFS À SEMI-CONDUCTEURS AC

Comparés aux dispositifs de commutation CC, les dispositifs à semi-conducteurs CA ont une structure plus complexe. Leur schéma de principe et leur conception sont déterminés par leur objectif, leurs exigences et leurs conditions de fonctionnement. Compte tenu de la large application que trouvent les appareils sans contact, il existe une grande variété d'options pour leur mise en œuvre. Cependant, tous peuvent être représentés par un schéma fonctionnel général qui montre le nombre requis de blocs fonctionnels et leur interaction. La figure 3.9 montre un schéma fonctionnel d'un dispositif semi-conducteur AC unipolaire. Il comprend quatre unités fonctionnellement complètes.

Bloc d'alimentation 1 avec éléments de protection contre les surtensions ( RC-circuit sur la figure 3.9) constitue la base du dispositif de commutation, son organe exécutif. Il peut être réalisé uniquement sur la base de vannes commandées - thyristors ou utilisant des diodes. Lors de la conception d'un appareil pour un courant dépassant la limite de courant d'un appareil, une connexion parallèle est requise. Dans ce cas, des mesures spéciales doivent être prises pour éliminer la répartition inégale du courant entre les appareils individuels, qui n'est pas due à l'identité de leurs caractéristiques courant-tension à l'état conducteur et à la répartition du temps de fonctionnement.

L'unité de contrôle 2 contient des dispositifs qui sélectionnent et stockent les commandes provenant d'éléments de contrôle ou de protection, génèrent des impulsions de commande avec des paramètres spécifiés et synchronisent l'arrivée de ces impulsions aux entrées des thyristors avec les moments où le courant dans la charge passe par zéro. Le circuit de l'unité de commande devient beaucoup plus compliqué si l'appareil, en plus de la fonction de circuits de commutation, doit réguler la tension et le courant. Dans ce cas, il est complété par un dispositif de contrôle de phase, qui assure un décalage des impulsions de commande d'un angle donné par rapport au courant zéro.

Le bloc capteur de mode de fonctionnement de l'appareil 3 contient des appareils de mesure de courant et de tension, des relais de protection à des fins diverses, un circuit pour générer des commandes logiques et signaler la position de commutation de l'appareil.

L'unité de commutation forcée 4 combine une batterie de condensateurs, son circuit de charge et des thyristors de commutation. Ce bloc est contenu dans les appareils AC uniquement s'ils sont utilisés comme protection (disjoncteurs). La partie puissance de l'appareil peut être réalisée selon un circuit avec connexion dos à dos de thyristors (voir Figure 3.9), basé sur un thyristor symétrique (triac) (Figure 3.10, UN) et dans diverses combinaisons de thyristors et de diodes (Figure 3.10, 6 Et V). Dans chaque cas spécifique, lors du choix d'une option de circuit, les facteurs suivants doivent être pris en compte : les paramètres de tension et de courant de l'appareil en cours de développement, le nombre d'appareils utilisés, la capacité de charge en mode long terme et la résistance aux surcharges de courant , le degré de complexité du contrôle des thyristors, les exigences de poids et de dimensions et le coût.

Figure 3.9 – Schéma fonctionnel d'un dispositif à thyristors

courant alternatif

Figure 3.10 - Blocs d'alimentation des appareils AC

Une comparaison des blocs de puissance représentés sur les figures 3.9 et 3.10 montre que le circuit à thyristors dos à dos présente les plus grands avantages. Ce système contient moins d'appareils et se caractérise par des dimensions, un poids, des pertes d'énergie et un coût plus petits. Par rapport aux triacs, les thyristors à conductivité unidirectionnelle (unidirectionnelle) ont des paramètres de courant et de tension plus élevés et sont capables de résister à des surcharges de courant nettement plus élevées. Les thyristors de conception tablette ont un cycle thermique plus élevé. Par conséquent, un circuit utilisant des triacs peut être recommandé pour commuter des courants qui, en règle générale, ne dépassent pas la valeur de classification du courant d'un seul appareil, c'est-à-dire lorsque leur connexion en groupe n'est pas requise. A noter que l'utilisation de triacs permet de simplifier le système de contrôle de l'unité de puissance, qui doit contenir un canal de sortie vers le pôle de l'appareil.

Les circuits illustrés à la figure 3.10 b, V, illustre la possibilité de concevoir des dispositifs de commutation CA utilisant des diodes. Ces deux systèmes sont faciles à contrôler, mais présentent des inconvénients dus à l'utilisation d'un grand nombre d'appareils. Dans le diagramme de la figure 3.10, b La tension alternative de la source d'alimentation est convertie en une tension pulsée pleine onde de même polarité à l'aide d'un pont de diodes de redressement. De ce fait, un seul thyristor, connecté à la sortie du pont redresseur (dans la diagonale du pont), devient capable de contrôler le courant dans la charge pendant les deux alternances, si au début de chaque alternance contrôle des impulsions sont reçues à son entrée. Le circuit est désactivé lorsque le courant de charge passe à zéro la prochaine fois après la fin de la génération des impulsions de commande.

Il convient toutefois de garder à l'esprit qu'un arrêt fiable du circuit n'est assuré qu'avec une inductance minimale du circuit côté courant redressé. Sinon, même si la tension à la fin de l'alternance tombe à zéro, le courant continuera à circuler dans le thyristor, l'empêchant de se bloquer. Le danger d'un fonctionnement d'urgence du circuit (sans coupure) apparaît également lorsque la fréquence de la tension d'alimentation augmente. Dans ce cas, il se peut que le temps de circuit tC ne suffit pas à restaurer la contrôlabilité par le thyristor, c'est-à-dire tC< .

Dans le circuit de la figure 3.10, la charge est contrôlée par deux thyristors dos à dos, chacun étant shunté en sens inverse par une vanne non contrôlée. Puisqu'avec cette connexion les cathodes des thyristors sont au même potentiel, cela permet d'utiliser des générateurs d'impulsions de commande avec une sortie ou deux sorties avec une masse commune. Les schémas de circuits de ces générateurs sont grandement simplifiés. De plus, les thyristors du circuit de la figure 3.10c sont protégés contre la tension inverse et doivent donc être sélectionnés uniquement pour la tension directe.

En termes de dimensions, de caractéristiques techniques et d'indicateurs économiques de l'appareil, réalisé selon les schémas présentés à la figure 3.10, b, V, inférieur aux appareils de commutation dont les circuits sont illustrés à la figure 3.9 V, 3.10, UN. Cependant, ils sont largement utilisés dans les dispositifs d'automatisation et de protection de relais, où la puissance de commutation est mesurée en centaines de watts. En particulier, ils peuvent être utilisés comme dispositifs de sortie de façonneurs d'impulsions pour contrôler les blocs de thyristors d'appareils plus puissants.

À travers chaque thyristor dans les circuits représentés sur les figures 3.9 et 3.10, V, la moitié du courant de charge circule. Le rapport entre le courant moyen traversant le thyristor (courant de classification du SPP, indiqué dans les spécifications techniques) et le courant efficace dans le circuit de charge est égal à

En conséquence, le courant moyen circulant dans le thyristor, s'il est exprimé à travers le courant dans la charge, s'écrira comme suit

De même, le courant moyen circulant à travers le thyristor dans le circuit de la figure 3.10 est b, est déterminé par l'égalité

Les thyristors symétriques, qui conduisent le courant dans les deux sens, sont classés en fonction du courant efficace. Par conséquent, pour le circuit de la figure 3.10, UN

CONTACTEUR À THYRISTOR AC 3,5 AVEC CONTRÔLE DE TENSION ANODIQUE

La particularité des dispositifs de commutation à semi-conducteurs est qu'ils peuvent remplir diverses fonctions sans modifications fondamentales de la partie puissance. Ainsi, un gradateur fabriqué selon le circuit de la figure 3.9 peut fonctionner avec succès à la fois comme contacteur et comme interrupteur. Ce n'est qu'en remplaçant les thyristors (en modifiant le type, la classe de tension ou le groupe de l'appareil en fonction de paramètres dynamiques) que le champ d'application des appareils peut être élargi en termes de courant ou de tension. Vous pouvez influencer de manière significative le fonctionnement du circuit à l'aide du système de contrôle, qui sera illustré à l'aide de l'exemple du fonctionnement d'un contacteur à thyristor

Le bloc de puissance du contacteur est réalisé selon un circuit avec une connexion anti-parallèle des thyristors CONTRE 1 Et CONTRE 2. Il est contrôlé à l'aide d'un circuit composé de résistances R1, R2, R3 et contact mécanique S. Ce circuit est connecté en parallèle aux thyristors, donc, lorsque l'interrupteur S est fermé, la tension sur ses éléments, et notamment sur les résistances R1 Et R3, change de manière synchrone avec la tension d'anode sur les thyristors. Et comme ces résistances sont connectées en parallèle aux circuits de commande des thyristors, la tension de même polarité augmente simultanément aussi bien à l'anode du thyristor qu'à son électrode de commande.

Si cette tension est positive, par exemple par rapport à un thyristor CONTRE 1 et retiré de la résistance R1 la tension dépasse la valeur de tension de déverrouillage, thyristor CONTRE 1 s'allume. Lorsque la polarité de la tension change, le thyristor s'allume de la même manière CONTRE 2, diodes VD1 Et VD2 dans le circuit sont nécessaires pour protéger les circuits de commande des thyristors de la tension inverse lorsque la tension à leurs anodes est négative.

Résistance réglable R2 dans le circuit de commande est sélectionné parmi la condition de limitation de l'amplitude de l'impulsion de courant de commande à une valeur admissible pour les thyristors utilisés Je Gmax.

Figure 3.11 - Contacteur CA

Considérant que le contact S peut être fermé dans l'intervalle demi-cycle à tout moment, y compris au moment où la tension du réseau atteint sa valeur d'amplitude Euh, la résistance est déterminée à partir de l'expression

Où R.G.− propre résistance du circuit de commande des thyristors.

Changer la résistance de la résistance R2 il est possible de contrôler le courant dans les circuits d'entrée des thyristors et, par conséquent, le moment de leur mise sous tension par rapport au début de l'alternance de tension. En conséquence, le contacteur devient capable de remplir une fonction supplémentaire : réguler le courant dans la charge. Angle limite du délai d'amorçage des thyristors αmax, qui peut être fourni par un circuit de commande de résistance, est de 90º.

Le processus de régulation du courant (tension, puissance) dans un circuit en modifiant l'angle de retard à l'amorçage des thyristors est appelé contrôle de phase. Les dépendances du changement de tension sur la charge active et du courant qu'elle contient sur l'angle du circuit considéré sont déterminées par les expressions.

où 0< ≤90 °.

L'angle de retard minimum pour l'activation des thyristors avec une charge active est de ≈2 °. Ceci s'explique par le fait que tous les thyristors ont un seuil de sensibilité pour le circuit de commande et, de plus, la tension anodique, variant selon une loi sinusoïdale, doit également dépasser la valeur seuil U(TO) d'au moins deux fois. Ces facteurs conduisent à l'apparition de pauses mortes dans la courbe de courant de charge tp.

En raison de la variation des caractéristiques de commande des thyristors, ces pauses peuvent ne pas avoir la même durée, ce qui conduit à l'apparition d'une composante constante dans le courant de charge. Si nécessaire, les angles de retard à l'activation des thyristors sont nivelés en ajustant les courants de commande en modifiant la résistance des résistances de construction R1 Et R3(Voir Figure 3.11).

S'il est nécessaire d'élargir la plage de régulation du courant dans la charge, les circuits de commande sont réalisés à l'aide de RC-chaînes (Figure 3.12 UN).

Lorsque la tension anodique aux bornes du thyristor devient positive, le condensateur AVEC rechargé via une résistance variable R. et charge à partir d'une tension égale à – Euh, à tendre UGT, auquel le thyristor s'allume CONTRE 1(Figure 3.12 b). En modifiant la constante du circuit de charge du condensateur τ = (R+RH)C Au moyen d'une résistance réglable R, il est possible de prévoir un retard à la fermeture du thyristor par rapport à la tension anodique maximale, c'est-à-dire à un angle > 90 ◦.

Les expressions qui déterminent la variation de la tension moyenne et efficace aux bornes de la charge, en fonction de l'angle du retard à l'enclenchement du thyristor, ont respectivement la forme

une - schéma de régulation ; b – caractéristique temporelle

régulation

Figure 3.12 − Principe de fonctionnement du circuit de commande sur RC- Chaînes

La méthode de contrôle des thyristors utilisée dans les circuits considérés est l'une des plus simples et des plus fiables, puisqu'elle est mise en œuvre par un nombre minimum d'éléments dans les circuits de commande. Parallèlement, la connexion directe entre l'électrode de commande et l'anode du thyristor permet d'assurer le respect d'autres exigences qui s'appliquent aux systèmes de contrôle : synchronisation stricte de la réception des signaux de commande avec le moment de l'éventuelle mise sous tension de les thyristors s'effectuent automatiquement ; les pertes de puissance pour le contrôle sont insignifiantes, puisque la durée d'exposition au courant de commande est régulée par le thyristor lui-même.

Dès qu'il passe à l'état conducteur, le circuit de commande est shunté avec une petite résistance (la résistance du thyristor à l'état conducteur) et le courant qu'il contient diminue jusqu'à presque zéro.

En raison des facteurs mentionnés, les circuits de commande à thyristors alimentés par la tension d'anode sont largement utilisés dans les dispositifs basse tension. En particulier, en utilisant ce principe de contrôle, l'industrie nationale produit des postes de commande à thyristors de type BSE, des gradateurs pour lampes à incandescence, des démarreurs à thyristors de type PT dans une conception tripolaire avec un courant nominal allant jusqu'à 63 A.

3.6 DISPOSITIFS COMBINÉS CONTACT-SEMI-CONDUCTEUR

Les appareils électriques combinés (également appelés hybrides) sont des appareils qui contiennent simultanément un système de contact d'appareils électromécaniques traditionnels et un circuit de puissance basé sur un SPP, connecté en parallèle avec un contact ouvert. Grâce à cette combinaison essentiellement mécanique de dispositifs de commutation avec et sans contact dans une seule conception, une combinaison réussie des avantages des deux types de dispositifs est obtenue et en même temps bon nombre de leurs inconvénients sont éliminés.

Considérons le principe de fonctionnement des appareils combinés utilisant des appareils simples (Figure 3.13), qui utilisent des diodes et des thyristors. Dans tous les blocs d'alimentation ci-dessus, les SPP sont connectés en parallèle avec l'un des contacts ouverts. Rappelons que dans les appareils électromécaniques, la chute de tension aux contacts fermés aux courants nominaux ne dépasse pas les dixièmes de volt. À de telles tensions, les SPP connectés en parallèle avec les contacts ne passent pas dans un état de conductivité élevée et le courant de charge ne les traverse pratiquement pas.

Figure 3.13 - Blocs de puissance des appareils combinés

Au cours du processus de mise hors tension de l'appareil, le rapport des résistances des circuits de contact et semi-conducteurs change, ce qui entraîne une redistribution du courant entre eux.

Considérons l'essence de ce phénomène à l'aide de l'exemple de l'extinction de l'appareil, réalisée selon le schéma de la figure 3.13, UN. Ouverture des contacts d'arc S1 dans le circuit il faut fournir au début de l'alternance un courant dont la polarité coïncide avec le sens conducteur de la diode VD (dans l'intervalle de temps t 2< t< t 3 , dans la figure 3.14). Dans ce cas, la tension sur l’arc électrique résultant est directe vers la diode. À mesure que la distance entre les contacts augmente et l'intensité de l'impact sur l'arc électrique, par exemple en raison de son mouvement dans l'air à grande vitesse sous l'influence d'un champ électromagnétique, la résistance de l'espace intercontact augmente et, par conséquent, la tension sur la diode augmente. En conséquence, les conditions sont créées pour le faire passer à un état conducteur.

En pratique, le passage de la diode à l'état conducteur dans les appareils basse tension se produit déjà au stade de la formation de l'arc électrique, car la chute de tension à proximité de l'électrode à ses bornes est bien supérieure à la tension de seuil de l'arc.

À partir de ce moment, le courant dans le circuit de contact commence à diminuer rapidement et le courant dans le circuit semi-conducteur augmente. La durée du processus transitoire pendant lequel le courant commuté passe complètement dans le circuit de diodes et l'arc électrique s'éteint est déterminée principalement par l'inductance des circuits, les caractéristiques dynamiques de la diode utilisée et la méthode d'influence sur l'arc électrique.

Dans le temps restant jusqu'à la fin de la mi-temps t = t 4 − t 3 les processus de désionisation dans l'espace intercontact sont terminés et sa résistance électrique est restaurée.

L'interruption définitive du courant dans le circuit est effectuée par une diode immédiatement après le moment t 4, correspondant à un changement de sens du courant. Pendant le temps que la tension s'inverse pour la diode, il est nécessaire d'ouvrir les contacts auxiliaires S2.

A noter que pour le cas illustré (Figure 3.14) de déconnexion d'un circuit avec une charge active-inductive, ce temps est inférieur à un demi-cycle. A la limite, elle peut être égale à 5 ms, ce qui conduit à la nécessité d'utiliser des variateurs rapides.

Figure 3.14 – Schémas des processus de commutation

dans un dispositif à diode de contact

A la mise sous tension de l'appareil, la séquence de fermeture des contacts doit être inversée : pendant l'alternance de tension non conductrice pour la diode, il faut fermer les contacts du séparateur S2, et pendant le demi-cycle suivant - contacts d'extinction d'arc S1.

La caractéristique du mode de commutation est la fermeture des contacts S1à basse tension, déterminée par la chute de tension aux bornes de la diode conductrice. De ce fait, le claquage préalable de l'entrefer lors du rapprochement des contacts et les phénomènes associés d'érosion et de soudage des contacts sont supprimés.

Mais il faut garder à l'esprit que dans les dispositifs combinés, ces mêmes effets risquent de se manifester en raison du taux élevé d'augmentation du courant dans les contacts après leur contact. Par conséquent, les conceptions du dispositif de contact et de l'entraînement doivent permettre une augmentation forcée de la pression de contact jusqu'à la valeur finale.

Appareils réalisés selon le schéma de la figure 3.13, b, selon le principe d'action et la nature des processus en cours, ne diffèrent pas de ceux évoqués ci-dessus. Cependant, la présence de deux circuits de diodes à conductivité contra-orientée permet une coupure à n'importe quel alternance du courant. En conséquence, le temps d’arrêt de l’appareil est réduit.

Les inconvénients de cette option incluent le doublement du nombre de SPP et la complexité significative de la conception de la partie mécanique de l'appareil. L'ouverture synchronisée des contacts s'effectuant selon une séquence déterminée par le sens du courant au moment où l'ordre de commutation est donné, le dispositif doit contenir deux entraînements indépendants et rapides.

Des exigences strictes sont également imposées sur la stabilité des entraînements : ils doivent avoir un faible étalement temporel. De toute évidence, atteindre un haut niveau de fiabilité fonctionnelle avec une telle conception de la partie puissance de l'appareil est une tâche difficile.

Une simplification significative du mécanisme d'entraînement et de l'appareil dans son ensemble peut être obtenue en refusant de synchroniser l'ouverture des contacts avec l'alternance correspondante du courant. Dans ce cas, les deux contacts, contrôlés par un variateur commun, s'ouvrent simultanément et dans n'importe quelle phase du courant. En conséquence, un arc électrique se produit sur les deux paires de contacts, mais sur l'une des paires, il s'éteint en raison de l'effet shunt du circuit de diodes. Sur les autres contacts dont le sens du courant ne coïncide pas avec le sens de conduction des diodes du circuit shunt, l'arc électrique est maintenu jusqu'à la fin de l'alternance (jusqu'à ce que le sens du courant change).

La durée maximale de l'arc sur les contacts, égale à environ 11 ms, correspond au mode le plus défavorable, lorsque les contacts s'ouvrent dans un intervalle de temps relativement étroit avant que le courant ne passe par zéro.

Dans ce cas, le processus de transition du courant du circuit de contact au circuit de diodes n'est pas terminé ou la rigidité électrique de l'espace intercontact n'a pas le temps de se rétablir, elle se rétablit au début du demi-cycle suivant.

En cas d'arrêts nombreux, ouverture des contacts S1 Et S2 se produit avec une probabilité égale à la fois dans l'intervalle des demi-cycles positifs et dans l'intervalle des demi-cycles négatifs ; la même loi détermine la répartition du moment d'ouverture du contact au sein de chaque demi-cycle. En conséquence, la durée d'exposition des contacts à l'arc électrique diminue et, par conséquent, la durée de vie de l'appareil augmente. De plus, par rapport à des dispositifs similaires sans circuits à diodes shunt, dans lesquels l'extinction de l'arc électrique est assurée en un demi-cycle, l'augmentation de la durée de vie est d'au moins 150 %.

Les capacités des dispositifs combinés peuvent être considérablement étendues en remplaçant le SPP non contrôlé par des thyristors (Figure 3.13, V).

Le circuit semi-conducteur de cet appareil, réalisé selon un circuit avec une connexion anti-parallèle de thyristors (voir Figure 3.9), est connecté en parallèle avec un seul contact d'extinction d'arc. Mais la capacité des thyristors à être dans un état fermé à une tension de polarité positive permet d'effectuer des opérations de commutation à n'importe quel demi-cycle de tension (courant).

Figure 3.15 - Processus transitoires dans un dispositif à contact-thyristor

Considérons l'interaction de l'unité de contact et de l'unité à gradins dans le mode de commutation de l'appareil. Compte tenu de la grande différence de vitesse de fonctionnement du circuit de contact et du contacteur d'allumage, les commandes pour les allumer ne doivent pas être émises simultanément. Tout d'abord, une commande doit être reçue pour allumer le lecteur de contact. Après un certain temps, égal au temps de commutation propre du dispositif de contact, ses contacts S1 sont fermés. Sur la figure 3.15, l'instant de contact des contacts correspond au temps t 2.

Avec l'avance nécessaire de ce moment, le système de contrôle émet une impulsion de commande Je G 1 au thyristor CONTRE 1, pour lequel la tension dans l'alternance considérée est directe. À la suite de la mise sous tension du thyristor, la tension aux contacts convergents est réduite à la valeur de la chute de tension aux bornes du thyristor à l'état passant, c'est-à-dire à 1,5...2,5 V.

Après contact des contacts, le circuit du thyristor est rapidement mis hors tension, car la résistance du circuit de contact est bien inférieure à la résistance différentielle du thyristor.

Lorsque l'appareil est éteint, la séquence de fonctionnement du circuit de contact et de thyristor est la même que dans les appareils à diode de contact. La seule différence est qu'au moment de l'ouverture des contacts ( , sur la Figure 3.15) du thyristor CONTRE 2 une impulsion de courant de commande doit arriver Je G 2. En pratique, il est très difficile de synchroniser strictement le fonctionnement du système de commande du gradateur avec le mécanisme d'entraînement par contact. Ainsi, dans la plupart des appareils de commutation de ce type, des impulsions de commande sont fournies aux entrées des thyristors avec anticipation de l'ouverture des contacts, en tenant compte de l'instabilité de la partie mécanique de l'appareil dans le temps.

Comme pour l'utilisation de diodes, dans les dispositifs à contact-thyristor, l'ouverture des contacts et la restauration de la rigidité électrique de l'espace intercontact doivent être achevées avant la fin de l'alternance. Si la conception de l'appareil ne prévoit pas un arrêt synchronisé, les contacts peuvent s'ouvrir à tout moment, y compris dans la zone d'alternance critique avant que le courant ne passe par zéro, dans laquelle le courant n'a pas le temps de passer du circuit de contact à le circuit semi-conducteur. Dans ce cas, il est nécessaire qu'au début du demi-cycle suivant, le système de contrôle s'assure qu'un thyristor avec un sens de conduction différent soit activé.

En résumant les possibilités envisagées pour créer des appareils combinés, nous soulignerons leurs caractéristiques les plus importantes.

Dans toutes les variantes de dispositifs SPP combinés (diodes ou thyristors), ils ne conduisent pas de courant pendant un fonctionnement nominal à long terme, ce qui élimine les pertes de puissance relativement importantes caractéristiques des dispositifs à semi-conducteurs. Par conséquent, selon cet indicateur, les appareils combinés ne diffèrent pas des appareils à contact classiques.

Dans les modes de modification des positions de commutation par l'appareil, à l'aide du SPP, les espaces intercontacts sont shuntés avec une caractéristique de faible résistance des diodes et des thyristors à l'état conducteur. Cela garantit une extinction rapide de l'arc électrique qui se produit lors de la mise sous tension en raison du rebond des contacts et lorsque l'appareil est éteint. L'expérience dans le fonctionnement d'appareils combinés montre que lors de la commutation de courants jusqu'à 500 A, la durée de l'arc ne dépasse pas 100 μs. En conséquence, les appareils combinés ont une résistance à l'usure de commutation 20 à 50 fois supérieure à celle des appareils à contact.

Étant donné que les SPP des appareils combinés sont exposés à un courant de courte durée, il est possible d'utiliser au maximum leur capacité de surcharge d'impulsions. À la température initiale de la structure (20 ± 5)°C, la plupart des appareils peuvent être chargés avec une impulsion de courant demi-onde de forme sinusoïdale, d'une durée de 10 ms avec une amplitude dépassant la valeur du courant moyen (de classification) en

8 à 10 fois. Par exemple, les diodes de type D253-1600 sont capables de supporter sans détérioration un courant d'amplitude de 12 kA. À mesure que la durée de l'impulsion diminue jusqu'à 2 ms, l'amplitude du courant admissible augmente environ trois fois. Dans les modes d'urgence, dont le nombre pendant le fonctionnement du SPP doit être limité à quelques-uns, l'amplitude du courant augmente en conséquence jusqu'à 28 kA pour une durée d'impulsion de 10 ms et jusqu'à 44 kA pour 2 ms.

Dans de nombreux cas, la capacité de surcharge spécifiée est suffisante pour créer des appareils combinés sans connexion parallèle d'appareils dans des unités de puissance. En garantissant que les contacts s'ouvrent immédiatement avant la zone critique du demi-cycle actuel, la meilleure utilisation de la capacité de charge d'impulsion du SPP est obtenue.

Une circonstance importante est que lors d'influences de courant à court terme, la chaleur générée dans la structure du SPP ne se propage pas au-delà des limites des éléments structurels directement adjacents. Par conséquent, il n’est pas nécessaire non seulement d’utiliser le refroidissement forcé, mais également les refroidisseurs eux-mêmes. En conséquence, la conception de l'unité semi-conductrice est considérablement simplifiée, son poids et ses dimensions sont réduits.

Les caractéristiques positives constatées des appareils combinés ont déterminé leur développement intensif. À ce jour, plusieurs versions de tels dispositifs ont été développées et sont produites par l'industrie, différant à la fois par la conception des pièces de contact et semi-conductrices et par la méthode de contrôle des thyristors. Le schéma de l'une des options d'un contacteur combiné avec un système de contrôle alimenté par un transformateur de courant est présenté à la figure 3.16.

Figure 3.16 - Diagramme schématique d'un combiné

contacteur

Le bloc semi-conducteur qu'il contient est connecté en parallèle à un circuit composé de contacts S et l'enroulement primaire du transformateur de courant connecté en série avec eux TA. Deux enroulements secondaires du transformateur sont connectés via des diodes qui correspondent à la polarité des tensions de commande et d'anode aux circuits de commande des thyristors. Lorsque les contacts S sont fermés, un courant sinusoïdal les traverse, donc l'enroulement primaire du transformateur de courant.

Dans les enroulements secondaires du transformateur, le courant sera généralement non sinusoïdal en raison de la non-linéarité de la résistance du circuit de commande des thyristors et de l'influence des diodes Zener, qui protègent ces enroulements du dépassement de la tension admissible. Au courant nominal dans le circuit du contacteur, les thyristors ne doivent pas s'allumer. Ceci est assuré en choisissant les paramètres de manière à ce que la chute de tension totale sur l'enroulement primaire du transformateur et les contacts fermés ne dépasse pas la tension de seuil. U(À) thyristors de puissance usagés.

Lorsque des courants de court-circuit circulent, la tension entre les points de connexion du gradateur au circuit principal augmente considérablement et les conditions sont créées pour la mise sous tension.