Принцип действия электрических аппаратов до 1000в. Полупроводниковые аппараты низкого напряжения. Выбор высоковольтной ячейки и уставок защиты

Электрический аппарат - это электротехническое уст­ройство, которое используется для включения и отключе­ния электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребле­ния электроэнергии.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению, области применения, принципу дей­ствия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окру­жающей среды, конструктивным особенностям и др. Ос­новной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств , слу­жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп­пе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагруз­ки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей).

2. Ограничивающие аппараты , предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядни­ки). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварий­ными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты , предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пус­катели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

4. Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектри­ческих параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерыв­ное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выход­ной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контро­лироваться как электрические, так и неэлектрические величины.

5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи пер­вичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измеритель­ных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стан­дартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансфор­маторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.

6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие ап­параты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Ап­параты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов.

По номинальному напряжению электрические аппараты разделя­ются на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным на­пряжением более 1000 В).

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам:

1. При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить зна­чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ.

При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди­намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

2. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

3. Контакты аппаратов, предназначенных для отклю­чений токов КЗ, должны быть рассчитаны на этот режим.

4. Изоляция электрических аппаратов должна выдер­живать перенапряжения, которые имеют место в эксплуа­тации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вслед­ствие осаждения пыли, грязи и влаги.

5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфиче­ских требований, обусловленных его назначением. Так, на­пример, выключатель высокого напряжения должен отключать ток КЗ за малое время (0,04-0,06 с). Трансфор­матор тока должен давать токовую и угловую погрешно­сти, не превышающие определенного значения.

6. В связи с широкой автоматизацией производствен­ных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе электрических аппаратов требует их резервирования и создания специальной систе­мы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов высокого напряжения приводит к боль­шим разрушениям и материальным потерям.

7. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, не­обходимые для установки и обслуживания электрических аппаратов, должны быть минимальными. Отвечающие со­временным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии.

8. Конструкция электрических аппаратов должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.

Кнопки управления служит для коммутации низковольтных электрических цепей. Они бывают одноцепные и двухцепные с замыкающими и размыкающими контактами. В большинстве случаев кнопки делаются с самовозвратом, т.е. при снятии механического давления их контакты возвращаются в исходное положение. На рис. 28 показана конструкция кнопки с двумя парами контактов: замыкающими и размыкающими.

Рис.28. Кнопка управления

Предохранители - это коммутационные аппараты, предназначенные для автоматического однократного отключения защищаемой цепи при КЗ или перегрузке. Отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, включенной в рассечку защищаемой цепи под действием тока, превышающего определенную величину.

Плавкие предохранители характеризуются следующими параметрами.

Номинальное напряжениеU н.пр. - напряжение, указанное на предохранителе и соответствующее наибольшему напряжению сетей, в которых разрешается установка данного предохранителя.

Номинальный ток предохранителяI н.пр. - при котором токоведущие и контактные части предохранителя нагреваются до допустимой температуры. Номинальный ток предохранителя всегда должен быть больше или равен номинальному току плавкой вставки, т.е. I н.пр. ≥ I н.вст.

Номинальный ток плавкой вставки I н.вст - ток, выдерживаемый плавкой ставкой неограниченно долго.

Предельный ток отключения при данном напряжении I пр.пр - наибольшее значение тока КЗ сети, при котором гарантируется надежная работа предохранителей, т. е. дуга гасится без каких-либо повреждений корпуса.

Защитная (время-токовая) характеристика предохранителя- это зависимость времени полного отключения τ откл от отношения ожидаемого тока в цепи (тока КЗ или перегрузки) к номинальному току плавкой вставки

Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка , включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство , гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

Процесс срабатывания предохранителя делится на несколько стадий: нагревание вставки до температуры плавления, плавление и испарение вставки, возникновение и гашение электрической дуги с восстановлением изоляционных свойств образующегося изоляционного промежутка.

Наиболее распространенные материалы плавких вставок – медь, цинк, алюминий, свинец и серебро. Вставки из цинка и свинца имеют низкую температуру плавления (419 о С и 327 о С), поэтому температура нагрева всего предохранителя при длительном прохождении номинального тока также не может быть большой. При плавлении на внешней поверхности цинка образуются прочные пленки окисла, внутри которых может находиться жидкий металл. В этих условиях после плавления вставки цепь тока не прерывается, и значение пограничного тока может оказаться неопределенным. Цинк имеет относительно высокий потенциал ионизации (9,4 электрон-вольт), что способствует гашению дуги. Цинк устойчив против коррозии, поэтому сечение плавких вставок из цинка в эксплуатации не изменяется, и их защитные характеристики остаются стабильными. Так как цинк и свинец имеют сравнительно высокое удельное электрическое сопротивление, поперечное сечение вставок из этих металлов оказывается значительным.

Медные вставки подвержены окислению, их сечение со временем уменьшается, токи и время срабатывания изменяются и перестают соответствовать заданным значениям. Покрытие медных вставок слоем олова (лужение) позволяет сохранить стабильность их сечения и характеристик. Серебряные вставки не окисляются и их характеристики наиболее стабильны. Но серебро дорого, поэтому его применяют лишь в особо ответственных случаях. Если необходимо получить большую выдержку времени предохранителя при нагрузках, следует применять плавкие вставки из цинка и свинца. Вставки из серебра и меди дают меньшие выдержки времени.

Алюминиевые плавкие вставки применяются в предохранителях в связи с острым дефицитом традиционных цветных металлов. Высокое сопротивление оксидных пленок на алюминии затрудняет осуществление надежного разъемного контакта. Толстая оксидная пленка образует тугоплавкую оболочку на поверхности вставки и затрудняет ее разрушение при плавлении токами короткого замыкания (жидкий металл удерживается в «трубке» из пленки). Но эти недостатки устранены и алюминиевые вставки нашли применение в предохранителях разработки последних лет.

По принципу устройства предохранители можно разделить на следующие виды: с открытой плавкой вставкой в воздухе; закрытые предохранители с наполнителем (засыпные); жидкометаллические и инерционные.

В закрытых предохранителях, выполненных в виде фибровой трубки, закрытой с концов латунными колпаками, гашение дуги осуществляется в результате повышения давления внутри трубки из-за разложения фибры. В засыпных предохранителях возникшая при плавлении вставок электрическая дуга тесно соприкасается с мелкими зернами наполнителя (кварцевый песок), интенсивно охлаждается, деионизируется и поэтому быстро гаснет.

Независимо от конструкции, работа предохранителя характеризуется так называемой защитной или время-токовой характеристикой, которая представляет собой зависимость времени плавления плавкой вставки от величины протекающего через нее тока. Общий вид такой характеристики представлен на рис. 29.

Рис.29. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта.

Предохранитель будет защищать лишь в том случае, если его защитная характеристика (кривая 1) располагается несколько ниже характеристики защищаемого объекта (кривая 2) при любом значении тока в цепи (рисунок 9). Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает.

При небольших перегрузках (1,5-2)I н нагрев предохранителя протекает медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде. Для защиты от небольших перегрузок необходимо использовать другие устройства.

Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется плавящим или пограничным током I погр .

Различают нижнее и верхнее значения испытательного тока. Нижнее значение испытательного тока - это максимальный ток, который, протекая в течение 1 ч, не приводит к перегоранию предохранителя. Верхнее значение испытательного тока - это минимальный ток, который, проходя в течение 1 ч, плавит вставку предохранителя. С достаточной точностью можно принять пограничный ток равным среднеарифметическому испытательных токов.

Величина пограничного тока зависит от многих факторов, главнейшие из которых: конфигурация плавкой вставки, конструкция предохранителя. Длительность перегорания плавкой вставки существенным образом зависит от степени перегрузки. Так, при небольших перегрузках большое влияние на длительность перегорания оказывают массивность и степень поджатия контактов, температура и быстрота движения окружающего вставку воздуха, состояние поверхности, химический состав материала вставок.

Роль перечисленных факторов при токах короткого замыкания практически не сказывается на времени перегорания плавкой вставки.

Таким образом, защитная характеристика предохранителя представляет собой сложное явление, зависящее от целого ряда факторов, которые в большинстве случаев не поддаются точному учету. Поэтому единственный путь для получения действительной картины происходящих явлений – это путь эксперимента.

Предохранители серии ПР-2 (рис. 30) имеют закрытые разборные патроны без наполнителя, изготовляются на напряжение 220 В (габарит I) и напряжение 500 В (габарит II). Номинальные токи патронов 15 – 1000 А. Номинальные токи вставок 6 – 1000 А.

Трубчатый патрон предохранителя состоит из фибрового цилиндра 3 , латунных втулок 4, имеющих прорезь для плавкой вставки 1, и латунных колпачков 5.

Плавкая вставка 1 изготовляется из цинка, стойкого против коррозии. Вставка выполняется в виде пластинки с вырезами, уменьшающими ее сечение на отдельных участках (рисунок 30, в). Такая конструкция вставки позволяет снизить время ее перегорания при протекании больших токов и, кроме того, повысить отключающую способность предохранителя в результате снижения количества паров металла в дуге при перегорании вставки (вставка перегорает лишь в суженных местах). В предохранителях с I ном патрона 15 – 60 А латунные колпачки 5 являются контактными частями предохранителя, а у предохранителей с I ном от 100 А и выше контактными частями являются медные ножи 2 (см. рисунок 30, б). Шайба 6, имеющая паз для ножа, предотвращает его поворот.

Рис.31. Предохранитель типа ПН-2.

Фарфоровая трубка 1, квадратная наружи и круглая внутри, имеет по углам четыре резьбовых отверстия в которые ввинчиваются винты, крепящие пластинки 5. К этим пластинкам винтами привинчены диски 4 с приваренными с одной стороны медными плавкими вставками 2 с оловянным растворителем 7, а с другой стороны – ножами 9. Для герметизации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6, что предохраняет песок от увлажнения. Плавкие вставки 2 имеют прямоугольное сечение с суженными участками 8 (от 1 до 5).

Перегоревшая плавкая вставка заменяется вместе с ножами. Патрон заполняется кварцевым песком 3 с размерами зерен от 0,2 до 0,4 мм. Влажность песка должна быть не более 3 %.

Предохранитель ПНБ-2 (Б - быстродействующий) имеет такую же конструкцию как ПН-2, но вставки у них серебряные и предназначены для защиты германиевых и кремниевых выпрямителей.

Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстояния друг от друга.

Переключатели - это контактные коммутационные аппараты, предназначенные для переключения электрических цепей.

В распределительных устройствах до 1 кВ и в слаботочных цепях автоматики широкое применение получили пакетные переключатели и выключатели. На рис. 32 показан пакетный кулачковый выключатель. На основании выключателя укреплены два пакета /, //, внутри которых расположены по три полюса контактных систем. При повороте рукоятки 9поворачиваются вал 2и кулачок 3. Если шток 5попадает в выемку кулачка, то контакты 7, 8замыкаются под действием пружины 6.Если шток попадает на выступ кулачка, то контакты размыкаются. Возникшая дуга гасится в закрытом объеме герметизированного корпуса 4из изоляционного материала. Внешняя сеть подключается к выводам 1.

Рис. 32. Пакетный кулачковый выключатель

Пакетные переключатели имеют малые габариты, удобны в монтаже, исключается выброс пламени и газов. Контактная система позволяет управлять одновременно большим количеством цепей. Такими переключателями разрешается отключать номинальные токи.

Пакетные выключатели не обеспечивают видимого разрыва цепи, поэтому в некоторых цепях устанавливают рубильники.

Рубильники предназначены для ручного включения и отключения цепей постоянного и переменного тока до 1000 В. По конструкции различают одно-, двух- и трехполюсные рубильники.

На рис. 33 показан рубильник с рычажным приводом. Подвижный контакт-нож 3вращается в шарнирной стойке 4, создавая разрыв с неподвижным контактом 1. Дугогасительная камера 2обеспечивает гашение дуги. Ножи всех полюсов объединены изоляционньм валиком, движение которому передается тягой 5. Рукоятка монтируется на передней стороне шкафа, а контактная часть - внутри шкафа. Таким образом, операции с рубильником безопасны для персонала. Таким рубильником можно отключать номинальный ток в установках 380 В и 50% номинального тока в установках 500В.

Рис. 33. Рубильник с рычажным приводом

Автоматические выключатели предназначены для коммутации цепей при токах КЗ и перегрузке, а также для редких включений и отключений цепей в нормальном режиме.

В установках до 1 кВ применяются разнообразные по конструкции и назначению автоматические выключатели. Наиболее широкое применение получили автоматические выключатели серий ABM, AM, А-3700, Э.

Во всех автоматических выключателях имеются дугогасительные 1 и главные 2 контакты (рис. 34). Главные контакты (медь, серебро) имеют малое переходное сопро­тивление и могут длительно пропускать большие номи­нальные токи. Параллельно главным включены дугогасительные контакты, выполненные из металлокерамики.

Отключающий импульс по механической связи 6 воз­действует на рычаги 5 механизма свободного расщепле­ния, «ломает» их по шарнирному соединению О 2 , и кон­тактный рычаг 3 под действием отключающей пружины 4 поворачивается против часовой стрелки. При этом отклю­чаются сначала главные, а затем дугогасительные контак­ты. Возникшая дуга под действием электродинамических сил втягивается в дугогасительную камеру с деионной решеткой из металлических пластин 9, где разделяется на ряд коротких дуг и гаснет. Включение выключателя осу­ществляется рукояткой 7 или электромагнитным приводом 8.

Рис. 34. Основные узлы автоматического вы­ключателя

В зависимости от типа автоматического выключателя отключающий импульс может создаваться электромагнитным расцепителем, реагирующим на токи КЗ, тепловым расцепителем, реагирующим на перегрузку, расцепителем, реагирующим на снижение напряжения. Возможно ди­станционное отключение от независимого расцепителя.

Автоматические выключатели изготовляются в стацио­нарном и выдвижном исполнении. Более подробно характеристики автоматических выключателей будут рассмотрены при выполнении курсовой работы.

Вопросы для самопроверки:

· Предохранители.

· Переключатели.

· Рубильники.

· Автоматические выключатели.

Электрический аппарат – это устройство, управляющее электропотребителями и источниками питания, а также использующее электрическую энергию для управления неэлектрическими процессами.

Электрические аппараты общепромышленного назначения, электробытовые аппараты и устройства выпускаются напряжением до 1 кВ, высоковольтные – свыше 1 кВ. До 1 кВ делятся на аппараты ручного, дистанционного управления, аппараты защиты и датчики.

Электрические аппараты классифицируются по ряду признаков:

1. по назначению, т. е. основной функции выполняемой аппаратом,

2. по принципу действия,

3. по характеру работы

4. роду тока

5. величине тока

6. величине напряжения (до 1 кВ и свыше)

7. исполнению

8. степени защиты (IP)

9. по конструкции

Особенности и области применения электрических аппаратов

Классификация электрических аппаратов в зависимости от назначения:

1. Аппараты управления , предназначены для пуска, реверсирования, торможения, регулирования скорости вращения, напряжения, тока электрических машин, станков, механизмов или для пуска и регулирования параметров других потребителей электроэнергии в системах электроснабжения. Основная функция этих аппаратов это управление электроприводами и другими потребителями электрической энергии. Особенности: частое включение, отключение до 3600 раз в час т.е. 1 раз в секунду.

К ним относятся электрические аппараты ручного управления - , контролеры и командокотролеры, реостаты и др., и электрические аппараты дистанционного управления - , контакторы и т. д.

2. Аппараты защиты , используются для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования и электрических сетей от сверхтоков, т. е. токов перегрузки, пиковых токов, токов короткого замыкания.

К ним относятся , и др.

3. Контролирующие аппараты , предназначены для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся датчики. Эти аппараты преобразуют электрические или неэлектрические величины в электрические и выдают информацию в виде электрических сигналов. Основная функция этих аппаратов заключается в контроле за заданными электрическими и неэлектрическими параметрами.

К ним относятся датчики тока, давления, температуры, положения, уровня, фотодатчики, а также реле, реализующие функции датчиков, например , напряжения, тока.

Классификация электрических аппаратов по принципу действия

По принципу действия электроаппараты разделяются в зависимости от характера воздействующего на них импульса. Исходя из тех физических явлений, на которых основано действие аппаратов, наиболее распространенными являются следующие категории:

1. Коммутационные электрические аппараты для замыкания и размыкания электрических цепей при помощи контактов, соединенных между собой для обеспечения перехода тока из одного контакта в другой или удаленных друг от друга для разрыва электрической цепи (рубильники, переключатели, …)

2. Электромагнитные электрические аппараты , действие которых зависит от электромагнитных усилий, возникающих при работе аппарата (контакторы, реле, …).

3. Индукционные электрические аппараты , действие которых основано на взаимодействии тока и магнитного поля ().

4. Катушки индуктивности (реакторы, дроссели насыщения).

Классификация электрических аппаратов по характеру работы

По характеру работы электрические аппараты различают в зависимости от режима той цепи, в которой они установлены:

1. Аппараты, работающие длительно,

2. предназначенные для кратковременного режима работы,

3. работающие в условиях повторно-кратковременной нагрузки.

Классификация электрических аппаратов по роду тока

По роду тока: постоянного и переменного.

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

Особенно многообразны конструктивные разновидности современных аппаратов, в связи с этим различны и требования, предъявляемые к ним. Однако существуют и некоторые общие требования вне зависимости от назначения, применения или конструкции аппаратов. Они зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности аппаратов.

Изоляция электрического аппарата должна быть рассчитана в зависимости от условий возможных перенапряжений, которые могут возникнуть в процессе работы электрической установки.

Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения номинального тока нагрузки, должны иметь высокую механическую и электрическую износоустойчивость, а температура токоведущих элементов не должна превышать допустимых значений.

При коротких замыканиях токоведущая часть аппарата подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, которые вызваны большим током. Эти экстремальные нагрузки не должны препятствовать дальнейшей нормальной работе аппарата.

Электрические аппараты в схемах современных электротехнических устройств должны обладать высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью.

Общим требованием по всем видам аппаратов является простота их устройства и обслуживания, а также их экономичность (малогабаритность, наименьший вес аппарата, минимальное количество дорогостоящих материалов для изготовления отдельных частей).

Режимы работы электротехнических устройств

Номинальный режим работы - это такой режим, когда элемент электрической цепи работает при значениях тока, напряжениях, мощности указанных в техническом паспорте, что соответствует наивыгоднейшим условиям работы с точки зрения экономичности и надежности (долговечности).

Нормальный режим работы - режим, когда аппарат эксплуатируется при параметрах режима незначительно отличающихся от номинального.

Аварийный режим работы - это такой режим, когда параметры тока, напряжения, мощности превышают номинальный в два и более раз. В этом случае объект должен быть отключен. К аварийным режимам относят прохождение токов короткого замыкания, тока перегрузки, понижение напряжения в сети.

Надежность – безотказная работа аппарата за все время его эксплуатации.

Свойство электрического аппарата выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания и ремонтов, хранения и транспортирования.

Исполнение электрических аппаратов по степени защиты

Определяется ГОСТ 14254-80. В соответствии с ГОСТ устанавливается 7 степеней от 0 до 6 от попадания внутрь твердых тел и от 0 до 8 от проникновения жидкости.

Обозначение степеней защиты	Защита от проникновения твердых тел и соприкосновения персонала с токоведущими и вращающимися частями.	Защита от проникновения воды.
	Специальная защита отсутствует.
	Большого участка человеческого тела, например, руки и твердых тел размером более 50 мм.	Капель, падающих вертикально.
	Пальцев или предметов длиной не более 80 мм и твердых тел размером более 12 мм.	Капель при наклоне оболочки до 15 0 в любом направлении относительно нормального положения.
	Инструмента, проволоки и твердых тел диаметром более 2,5 мм.	Дождь, падающий на оболочку под углом 60 0 от вертикали.
	Проволоки, твердых тел размером более 1 мм.	Брызг, падающих на оболочку в любом направлении.
	Пыли в количестве недостаточном для нарушения работы изделия.	Струй, выбрасываемых в любом направлении.
	Защита от пыли полная (пыленепроницаемые).	Волн (вода при волнении не должна попасть внутрь).
		При погружении в воду на короткое время.
		При длительном погружении в воду.

Для обозначения степени защиты используется аббревиатура «IP». Например: IP54.

Применительно к электрическим аппаратам существуют следующие виды исполнения:

1. Защищенные IP21, IP22 (не ниже).

2. Брызгозащищенные, каплезащищенные IP23, IP24

3. Водозащищеные IP55, IP56

4. Пылезащищеные IP65, IP66

5. Закрытое IP44 – IP54, у этих аппаратов внутренние пространство изолированно от внешней среды

6. Герметичное IP67, IP68. Эти аппараты выполнены с особо плотной изоляцией от окружающей среды.

Климатическое исполнение электрических аппаратов определяется ГОСТ 15150-69. В соответствии с климатическими условиями обозначается следующими буквами: У (N) – умеренный климат, ХЛ (NF) – холодный климат, ТВ (TH) – тропический влажный климат, ТС (ТА) – тропический сухой климат, О (U) – все климатические районы, на суше, реках и озерах, М – умеренный морской климат, ОМ – все районы моря, В – все макроклиматические районы на суше и на море.

1. На открытом воздухе,

2. Помещения, где колебания температуры и влажности не существенно отличаются от колебаний на открытом воздухе,

3. Закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственного регулирования климатических условий. Отсутствуют воздействия песка и пыли, солнца и воды (дождь),

4. Помещения с искусственным регулированием климатических условий. Отсутствуют воздействия песка и пыли, солнца и воды (дождь), наружного воздуха,

5. Помещения с повышенной влажностью (длительное наличие воды или конденсированной влаги)

Выбор электрических аппаратов

Выбор электрических аппаратов представляет собой задачу, при решении которой должны учитываться:

• коммутируемые электрическим аппаратом токи, напряжения и мощности;
• параметры и характер нагрузки - активная, индуктивная, емкостная, низкого или высокого сопротивления и др.;
• число коммутируемых цепей;
• напряжения и токи цепей управления;
• напряжение катушки электрического аппарата ;
• режим работы аппарата - кратковременный, длительный, повторно-кратковременный;
• условия работы аппарата - температура, влажность, давление, наличие вибрации и др.;
• способы крепления аппарата;
• экономические и массогабаритные показатели;
• удобство сопряжения и электромагнитная совместимость с другими устройствами и аппаратами;
• стойкость к электрическим, механическим и термическим перегрузкам;
• климатическое исполнение и категория размещения;
• степени зашиты IP,
• требования техники безопасности;
• высота над уровнем моря;

условия эксплуатации.

Страница 1 из 75

В книге изложены основы конструирования, расчета, испытания, выбора коммутационной аппаратуры распределительных устройств низкого напряжения - автоматических и неавтоматических выключателей и предохранителей; кроме того, описаны основные конструкции.

Книга предназначена для инженеров-электриков, занимающихся конструированием и исследованием аппаратуры, проектированием электротехнических установок и эксплуатацией их.

Кузнецов Ростислав Сергеевич, Аппараты распределительных устройств низкого напряжения, 1962.

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами на центральных электрических станциях, передается на большие расстояния многочисленным приемникам - двигателям, нагревательным, осветительным и подобным устройствам. Распределение энергии между приемниками и управление работой источников энергии, линий передачи и приемников осуществляются с помощью четырех групп электрических аппаратов, существенно отличающихся по назначению и конструкции.

К первой группе относятся аппараты, которые служат преимущественно для включения и отключения главных цепей в системах, генерирующих электрическую энергию и передающих ее потребителю. Они называются коммутационными аппаратами распределительных устройств. Эти аппараты производят включение или отключение цепи при воздействии обслуживающего персонала (неавтоматически) или без этого воздействия (автоматически). У некоторых аппаратов автоматическое срабатывание осуществляется при воздействии на их вспомогательную электрическую цепь, замыкаемую или размыкаемую с помощью других автоматических аппаратов - реле.

Ко второй группе относятся реле и регуляторы, осуществляющие защиту и управление работой генераторов, трансформаторов, линий передачи и приемников путем воздействия на разные вспомогательные цепи.

К третьей группе относятся аппараты управления, осуществляющие управление работой приемников электрической энергии, например: пуск, регулирование числа оборотов, торможение, реверсирование двигателей. К аппаратуре управления относятся, например: контакторы, пускатели, контроллеры, командоаппараты, реостаты, реле, осуществляющие защиту и управление работой электропривода.

К четвертой группе относятся аппараты, специально предназначенные для автоматизации технологических процессов. К ним относятся датчики, которые создают в цепях управления сигналы, соответствующие определенным параметрам протекающего технологического процесса, а также аппараты, которые преобразуют эти сигналы, вырабатывают, осуществляют, контролируют программу, определяющую желательный ход технологического процесса, и направляют сигналы аппаратам управления, которые управляют электродвигателями исполнительных механизмов.

В настоящей книге излагаются основные сведения об устройстве, проектировании и эксплуатации коммутационной аппаратуры распределительных устройств, которая обычно устанавливается в сетях переменного тока на напряжение до 660 в и постоянного тока - до 440 в. Некоторые аппараты рассчитываются на напряжение более 440 в постоянного тока. Поэтому, строго говоря, они не всегда могут быть названы низковольтными; однако по конструкции аппараты, предназначенные для сетей низкого напряжения (до 380 в с заземленной нейтралью), мало чем отличаются от аппаратов на несколько большее напряжение. Коммутационная аппаратура переменного тока на напряжение 3 кВ и выше в настоящей книге не рассматривается.

Книга охватывает главным образом аппаратуру общего применения. Более подробные сведения о специальной аппаратуре можно найти в соответствующих пособиях.

Глава первая

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

1-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Коммутационные аппараты распределительных устройств выполняют две функции:

неавтоматическое включение и отключение электрических цепей, которые производятся, когда надо подать или снять питание электроэнергией участка сети;

автоматическое отключение электрических цепей в случае появления в них каких-либо ненормальных явлений, угрожающих безопасности обслуживающего персонала или сохранности установки (например, в случае коротких замыканий). Иногда аппараты осуществляют автоматическое включение резервного источника энергии или автоматическое повторное включение после аварийного отключения.

Различают три группы аппаратов распределительных устройств:

автоматические выключатели или сокращенно автоматы;

плавкие предохранители или сокращенно предохранители;

неавтоматические выключатели.

Иногда указанные аппараты устанавливаются вместе с аппаратурой управления ib устройствах для управления электроприводом (станциях управления, магнитных пускателях и т. д.).

Автоматические выключатели полностью выполняют указанные выше первую и вторую функции: они служат как для неавтоматической коммутации, так и для автоматической коммутации при всевозможных ненормальных условиях (сверхток, перенапряжение, обратный ток, исчезновение напряжения и т. д.).

Плавкие предохранители частично выполняют вторую функцию: они только отключают цепь и только при одном виде ненормального режима - при сверхтоке. Их особенностью является плавление металла при больших токах, которое ведет к разрыву цепи тока.

Неавтоматические выключатели выполняют только первую из вышеуказанных функций: неавтоматическое включение и отключение цепей.

Распределительные устройства - это группа коммутационных аппаратов, электрически соединенных между собой и являющихся одним конструктивным целым. Выполняемые ими функции определяются составом входящих в них аппаратов. Кроме основной коммутационной аппаратуры, в распределительных устройствах могут устанавливаться также измерительные приборы, реостаты, реле, регуляторы, сигнальные аппараты и т. д.

Распределительные устройства устанавливаются в следующих местах:

у источника энергии (на вторичной стороне понизительных трансформаторов, у генераторов или ртутных выпрямителей);

в местах, где требуется осуществить распределение энергии по нескольким направлениям;

на ответвлениях к отдельным приемникам энергии.

Каждая из вышеуказанных групп аппаратов в зависимости от конструктивных принципов, положенных в их основу, показателей, характеризующих их работу при ненормальных режимах, и защищенности от воздействия внешней среды подразделяется на ряд подгрупп. Кроме того, все аппараты различаются по:

роду тока и частоте переменного тока аппарата и его катушек;

номинальному напряжению аппарата и шунтовых катушек его электромагнитов;

номинальному току аппарата, сериесных катушек его электромагнитов и его нагревателей;

числу коммутируемых цепей.

Аппараты исполняются на частоту до 10 000 Гц. Наиболее распространенным является исполнение аппаратов на номинальную частоту переменного тока 50 Гц. Шунтовые катушки электромагнитов исполняются на частоту не выше 60 Гц.

Аппараты выполняются для работы при номинальном напряжении сети переменного тока 127, 220, 380, 500 и 660 в и постоянного тока 24 - 32 в, 110, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в. Напряжение 500 в переменного тока встречается изредка и только >в старых установках. В промышленности наиболее распространено напряжение 380 в. Сети с напряжением 660 в в последнее время применены в шахтах; предполагается их применение на химических и других предприятиях, где приемники энергии рассредоточены. В настоящее время напряжение 660 в пока еще не входит в число стандартных напряжений, предусмотренных ГОСТ, но предполагается его ввести в ближайшее время.

Главные цепи аппаратов обычно рассчитываются на напряжения 220 и 380 вив последнее время 660 в переменного тока и 30, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в постоянного тока. Шунтовые катушки аппаратов исполняются на разные стандартные и нестандартные напряжения, но обычно не более 380 в переменного и 220 в постоянного тока. Катушки работают ненадежно при более высоких напряжениях.

Аппараты исполняются на разные номинальные токи от 6 до 25 000 а. Сериесные катушки аппаратов исполняются на номинальные токи от 0,05 до 25 000 а.

Аппараты подразделяются на одно-, двух- и трех- полюсные, в соответствии с числом проводов в линии. Изредка они имеют и большее число полюсов.

3.1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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

I A > I H .

Практически это может быть реализовано с помощью простых схем, приведенных на рисунке 3.1. В схеме (на рисунке 3.1, а ) отключение тока нагрузки осуществляется размыканием механического контакта S 1 , включенного последовательно с тиристором VS. По истечении времени, достаточного для восстановления управляемости тиристором, контакт S 1 может быть вновь замкнут. Цепь при этом остается разомкнутой, так как тиристор находится в выключенном состоянии. Аналогично схема работает при кратковременном шунтировании тиристора замыкаемым контактом S 2 , подсоединение которого на рисунке 3.1, показано штриховыми линиями.

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

Рисунок 3.1 −Принципиальные схемы тиристорных

аппаратов постоянного тока

Улучшенным вариантом исполнения коммутационного устройства является схема, приведенная на рисунке 3.1, б . Последовательность ее работы такова. В исходном состоянии тиристор закрыт, напряжение на нагрузке R H и конденсаторе C K отсутствует.

Включение схемы осуществляется управляющим сигналом, который необходимо подать на вход тиристора (управляющий электрод-катод). При этом, одновременно с током нагрузки I H =U/R H , через тиристор протекает ток зарядки конденсатора C K . Конденсатор заряжается с указанной на рисунке полярностью за время, определяемое постоянной времени цепи τ=R 1 C К .

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

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

На рисунке 3.1, в приведена еще одна схема тиристорного аппарата, иллюстрирующая применение емкостной искусственной коммутации. В отличие от схемы на рисунке 3.1, б конденсатор С К в ней, в исходном состоянии заряжен до напряжения источника питания. Поэтому при включении тиристора VS управляющим импульсом через него начинают протекать ток нагрузки и ток разряда конденсатора C K (рисунок 3.2). На втором полупериоде колебательной перезарядки конденсатора, когда ток i C , направленный встречно анодному току в тиристоре (току нагрузки), становится больше по значению, тиристор выключается (рисунок 3.2). Начиная с этого момента времени остаточное напряжение на конденсаторе C K действует согласно с напряжением источника питания, поэтому ток нагрузки резко увеличивается, а затем снижается по мере перезарядки конденсатора. Окончательное выравнивание тока в цепи происходит в момент времени t з , который соответствует окончанию перезарядки конденсатора.

Обратное напряжение на тиристоре поддерживается в течение времени t c = t 2 - t 1 . Это время называют схемным, так как оно обусловливается параметрами элементов схемы − в данном случае емкостью коммутирующего конденсатора C K и индуктивностью катушки L K .

В рассмотренных схемах (кроме рисунка 3.1) прерывание тока обеспечивается, по существу традиционными контактными аппаратами. Поэтому наличие в них тиристоров не дает никаких преимуществ. Что касается режима включения, то он осуществляется тиристорами, и в этом случае реализуются их возможности по быстродействию, готовности к работе и др.

Основное назначение таких аппаратов − подключение нагрузок с высокой точностью по времени, а также осуществление изменений параметров цепей (R, L, С ) при различных экспериментальных исследованиях переходных процессов, автоматическое подключение источников питания. Коммутационное устройство (рисунок 3.1, в ) наряду с прерыванием тока в цепи формирует импульсы тока (мощности). Это может быть использовано для регулирования выходной мощности по заданной программе, которая задается системой управления тиристором.

Рисунок 3.2 − Временные диаграммы работы схемы,

приведенной на рисунке 3.1

Параметры импульсов тока (амплитуда, длительность, форма) могут быть изменены за счет изменения напряжения источника питания и параметров элементов коммутирующего контура.

3.2 БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принудительная коммутация (выключение) тиристоров является основой работы полупроводниковых аппаратов постоянного тока и средством повышения быстродействия при отключении у аппаратов переменного тока. Существуют различные схемные решения, которые обеспечивают кратковременное снижение тока в цепи с тиристорами до нуля и их выключение. Но практическое применение в электрических аппаратах нашли только конденсаторные схемы принудительной коммутации, принцип действия которых рассмотрен на примере рисунка 3.1, б и в. Варианты построения схем принудительной коммутации и методики их расчета рассмотрены в работах. Здесь отметим, что по структуре, определяющей соединение элементов коммутирующего контура и подключение его к выключаемым тиристорам, узлы принудительной коммутации в аппаратах переменного тока и в аппаратах постоянного тока имеют существенные отличия. Однако принцип их работы, задачи и методы расчета элементов контура являются общими. Поэтому основные задачи проектирования подобных устройств рассмотрены ниже, на примере простой схемы выключателя постоянного тока (рисунок 3.3). По характеру протекающих процессов она практически не отличается от уже рассмотренной схемы на рисунке 3.1, б . Однако замена механического контакта дополнительным тиристором VS2 позволяет существенно улучшить коммутационные характеристики аппарата и делает его более чувствительным к управлению.

Из рисунка видно, что вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS 2 может быть включен либо от анодного напряжения (замыканием кнопки «Стоп»), либо напряжением, снимаемым с измерительного резистора - шунта R ш . В последнем случае напряжение на шунте должно превысить значение, равное U=U GT +U F +U C , где U GT − напряжение управления, достаточное для надежного включения тиристора VS 2 ; U F − падение напряжения на диоде VD 2 и U C − напряжение стабилизации (переключения) стабилитрона VD 1 .

В аварийных режимах работы, сопровождающихся многократным увеличением тока по отношению к номинальному, отключение цепи осуществляется автоматически при включении тиристора VS 2 . Регулированием сопротивления R ш и подбором стабилитрона по параметру U C можно заранее задать значение тока перегрузки или тока короткого замыкания (КЗ), при которых произойдет отключение выключателя. Причем высокое быстродействие выключателя позволяет прервать ток КЗ задолго до того момента, когда он достигнет максимального значения.

В оперативном режиме включение и отключение номинальных токов производятся замыканием управляющих цепей тиристоров VS 1 и VS 2 , соответственно кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Ограничение тока в управляющих цепях тиристоров осуществляется резисторами R Y . Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами на рисунке 3.4

Рисунок 3.3 − Автоматический тиристорный

выключатель

Для надежного выключения тиристора VS 1 необходимо, чтобы схемное время t с , показанное на графике изменения напряжения u VS 1 =f(t) , было больше времени выключения тиристора. В противном случае тиристор может вновь перейти в проводящее состояние под воздействием прямого напряжения, которое прикладывается к нему в процессе перезарядки конденсатора (см. также рисунок 3.2).

Минимальную емкость конденсатора, обеспечивающую поддержание обратного напряжения на тиристоре VS 1 в течение времени t с , можно определить из анализа коммутационных процессов, происходящих непосредственно после включения тиристора VS 2 .

Предполагая, что запирающая способность тиристора VS 1 в обратном направлении восстанавливается мгновенно (обратный ток i R отсутствует), уравнение разрядки конденсатора после включения тиристора VS 2 запишем в виде

где U − напряжение источника питания;

i − ток через последовательно соединенные R н C K , VS 2 .

Рисунок 3.4 − Электромагнитные процессы при отключении

выключателя постоянного тока

Решение этого уравнения известно:

Напряжение на конденсаторе С к , являющееся одновременно и напряжением на тиристоре VS 1 , находится интегрированием выражения (3.1):

В момент времени t = t 2 - t 1 = t c напряжение на тиристоре VS 1 равно нулю, и, следовательно, из выражения (3.2) получаем

Прологарифмировав это выражение, можно определить соотношение между емкостью конденсатора С к и схемным временем

Учитывая, что взаимосвязь между сопротивлением R Н и то­ком в коммутируемой цепи I К при напряжении источника Uвыражается формулой U= R Н I К, последнее уравнение можно переписать так

Надежное выключение тиристора VS 1 , обладающего временем выключения, равным t q , будет при t с >> t q k q , где k q = 1,5...2 − коэффициент, учитывающий изменение t q при несовпадении температуры PN -структуры, коммутируемого тока, обратного напряжения и скорости приложения прямого напряжения с классификационными значениями. Следовательно, минимальная емкость коммутирующего конденсатора должна удовлетворять условию

Если нагрузка активно-индуктивная, то для обеспечения рассеяния энергии, запасенной в индуктивных элементах к моменту прерывания тока, она должна шунтироваться диодом, как это показано на рисунке 3.3 штриховой линией. Расчет С К в этом случае основывается на допущении, что ток нагрузки в течение всего интервала коммутации остается неизменным. Конденсатор С К при этом будет разряжаться с постоянной скоростью, и напряжение на нем изменяется согласно уравнению

Как и при активной нагрузке, схемное время t с определяется промежутком времени, по прошествии которого обратное напряжение на тиристоре снижается до нуля. Следовательно, при подстановке в выражение (3.5) t с вместо t имеем t с t К /C K = 0 . С учетом условия t с ≥ t q k q из этого выражения непосредственно вытекает формула для определения минимальной емкости конденсатора:

Следует подчеркнуть, что выражения (3.4) и (3.6) получены без учета индуктивностей и активных сопротивлений, которыми обладают элементы контура, в том числе и соединительные провода. Эти сопротивления ограничивают максимальное значение тока в коммутирующем контуре и скорость его нарастания.

Однако, если аппарат предназначен для отключения аварийных токов, собственная индуктивность элементов контура является недостаточной для ограничения di/dt до значений, выдерживаемых низкочастотными тиристорами. В этом случае необходимо последовательно с коммутирующим тиристором включать дополнительно реактор индуктивностью L К (на рисунке 3.3 это соответствует переведению переключателя S в положение 2). Параметры элементов контура коммутации при шунтировании силового тиристора VS 1 обратно включенным диодом определяются выражениями

где Uc 0 − напряжение предварительной зарядки конденсатора.

Максимальная скорость нарастания тока в коммутирующем контуре, которая обусловливает выбор группы тиристора VS2 по (di/dt) crit , определяется формулой

di/dt = (Uc 0 /L К) 10 6 .

Обращаясь к диаграммам переходных процессов (рисунок 3.4), выделим характерные для выключателей с емкостной коммутацией тиристоров особенности.

1. При включении коммутирующего тиристора источник питания и заряженный до напряжения источника конденсатор оказываются соединенными последовательно. Это вызывает скачкообразное увеличение тока в цепи до значения I Н =2U/R Н , что неблагоприятно сказывается на нагрузке, особенно при отключении аварийных токов.

2. Интервал времени t = t 3 – t 1 , в течение которого конденсатор С К перезаряжается, определяет быстродействие выключателя при отключении и частоту коммутаций. При повторном включении тиристора VS 1 конденсатор вновь должен перезарядиться и тем самым обеспечить готовность к последующему отключению аппарата. Для сокращения времени перезарядки конденсатора С К, что важно при работе выключателя в режиме АПВ, необходимо уменьшать постоянную цепи зарядки τ = R 1 С К . Учитывая, что емкость С К обусловлена схемным временем t с , это можно достичь уменьшением сопротивления резистора R 1 .

3. Процесс отключения тока в цепи нагрузки заканчивается выключением тиристора VS 2 . Для этого необходимо обеспечить ограничение тока резистором R 1 (после перезарядки конденсатора С К ) до значений I ≤ I Н тиристора. Ввиду того, что ток удержания мощных тиристоров составляет десятки или сотни миллиампер, сопротивление резистора R 1 должно быть достаточно большим что противоречит сформулированному в п. 2 требованию. Поэтому, чтобы не снизить частоту коммутаций выключателя, зарядка конденсатора С К осуществляется обычно с помощью дополнительной зарядной цепи с малой постоянной времени τ от автономного источника питания.

4. Важной задачей при создании выключателей с емкостной коммутацией тиристоров является ограничение перенапряжений, возникающих на конденсаторе С К . В зависимости от параметров коммутируемой цепи и режима короткого замыкания они могут превышать значение (1,5...2)U . Для ограничения уровня перенапряжений до приемлемых значений необходимо использовать различные демпфирующие цепи, полупроводниковые или оксидно-цинковые (варисторы) нелинейные ограничители. В некоторых разработках целесообразным становится применение двухконтурных или двухступенчатых коммутирующих узлов, с помощью которых реализуется снижение скорости спада тока, в процессе его отключения и существенное уменьшение перенапряжений.

Если аппарат (см. рисунок 3.3) предназначен для оперирования только с номинальными токами при постоянных параметрах нагрузки, сложности с перенапряжениями и кратковременным увеличением тока не возникают. В этом случае без принципиальных изменений схема может быть использована для реализации многих других функций. Например, при замене зарядного резистора R 1 второй нагрузкой она способна выполнять функции быстродействующего коммутатора, т. е. поочередно подключать нагрузки к источнику питания. При равенстве сопротивлений нагрузок эта же схема является симметричным триггером, который может быть использован для управления электромагнитами, реле или любыми другими исполнительными органами. При этом принцип действия схемы независимо от того, какие функции она выполняет, остается неизменным.

3.3 СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В АППАРАТАХ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Перенапряжения в процессе отключения аппарата обусловлены, в основном колебательным характером перезарядки коммутирующего конденсатора. Уровень их зависит от параметров отключаемой цепи и динамических характеристик, используемых в силовой цепи СПП. Так как перенапряжения определяют требования к изоляции защищаемого оборудования и изоляции самих аппаратов, влияют на габариты, стоимость и надежность работы систем электроснабжения в целом, необходимо стремиться к их понижению.

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

Один из возможных вариантов исполнения выключателей с двухступенчатой коммутацией тока показан на рисунке 3.5. Готовность к отключению в схеме этого аппарата обеспечивается предварительной зарядкой конденсатора С К от сети с указанной на рисунке 3.5 полярностью. Для этого необходимо включить тиристоры VS 2 и VS 5 , подав на их входные цепи (управляющий электрод - катод) управляющие сигналы. Ток зарядки конденсатора С К протекает через элементы схемы L 1 , L 2 , R l , VS 5 , С К , перемычку П, VS 2 , L 3 . По мере зарядки конденсатора ток в цепи тиристоров VS 2 , VS 5 уменьшается и, когда он становится меньше тока удержания, тиристоры самостоятельно выключаются. При длительном номинальном режиме напряжение на конденсаторе С К постепенно уменьшается из-за несовершенства собственной изоляции и вследствие утечки заряда через подключенные к конденсатору цепи с тиристорами. Для предотвращения значительного снижения напряжения, система управления должна обеспечивать периодическое включение тиристоров VS 2 и VS 5 . В результате на конденсаторе С К будет автоматически поддерживаться постоянное напряжение, равное практически напряжению сети. Реакторы L 1 , L 2 , L 3 в схеме необходимы для ограничения скорости нарастания тока при включении тиристоров и реализации колебательного режима переходных процессов.

При возникновении короткого замыкания и достижении током значения уставки I у (рисунок 3.6) системой управления включаются тиристоры VS 3 и VS 4 . В результате, как и во всех рассмотренных ранее схемах, выключается тиристор VS 1 . После изменения полярности напряжения на конденсаторе и повышения его до заданного значения U m 1 системой управления выдается сигнал на включение тиристора VS 5 . При этом параллельно конденсатору подключается резистор R 1 , способствующий ограничению дальнейшего повышения напряжения на конденсаторе С К . Начиная с этого момента напряжение на конденсаторе уменьшается вместе с уменьшением коммутируемого тока.

Разрядка конденсатора осуществляется через тиристор VS 3 , а после его выключения − через диод VD 1 . Второй этап коммутационных процессов начинается непосредственно после выключения тиристора VS 3 и снижения тока до значения, определяемого общим сопротивлением внешней цепи и резистора R 1 .

Рисунок 3.5 – Тиристорный выключатель с

двухступенчатой коммутацией тока

Рисунок 3.6 – Коммутационные процессы в схеме (рисунок 3.5)

В этот момент времени (t 2 , на рисунке 3.6) системой управления включается тиристор VS 2 , и ток начинает протекать по цепи R l , VS 5 , С К, П, VS 2 и VD 2 . В результате, напряжение на конденсаторе вновь изменяет полярность. По достижении им значения U m 2 в момент времени t 3 ток в нагрузке полностью прерывается.

Так как полярность напряжения на конденсаторе после отключения соответствует исходному состоянию, выключатель готов к повторному срабатыванию. Причем в рассматриваемом случае, который соответствует индуктивному характеру нагрузки, напряжение на конденсаторе значительно превышает напряжение сети. При активной нагрузке напряжение на конденсаторе не достигает значения U m 1 поэтому нет необходимости включать тиристоры VS 5 и VS 2 . В этом случае и после отключения тока остаточное напряжение на конденсаторе U C < U . Для обеспечения готовности к работе конденсатор необходимо дозарядить.

К достоинствам принципиальных схем с двухступенчатой коммутацией тока следует отнести оптимальное использование конденсаторов, более высокое быстродействие и частоту включений. Однако это достигается значительным усложнением коммутирующего узла и системы управления, которая должна реагировать на многие параметры переходного процесса и обеспечивать определенную последовательность включения тиристоров.

Другая возможность создания аппаратов постоянного тока с низкими коммутационными перенапряжениями и простой структурой связана с разработкой и освоением запираемых тиристоров. Основная отличительная особенность этих приборов по сравнению с обычными тиристорами состоит в их способности выключаться импульсом тока в цепи управления. Принципиальная возможность разработки таких приборов была обоснована еще в 50-х годах, и уже в 60-х годах промышленность освоила приборы, способные коммутировать токи до 5А при напряжении 100...200В. Быстрый прогресс в создании запираемых тиристоров большой мощности наблюдается с начала 80-х годов. В настоящее время рядом зарубежных фирм и в Росси выпускаются приборы этого типа на токи в сотни ампер и напряжение свыше 1000 В. В литературных источниках сообщается о разработках запираемых тиристоров с предельными параметрами по току и напряжению, сравнимыми с параметрами обычных тиристоров.

Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора показана на рисунке 3.7. Отключение его иллюстрируется осциллограммами изменения анодного тока I А , напряжения на тиристоре U А и импульсного тока управления отрицательной полярности i G (рисунок 3.8).

Важным преимуществом схемы на рисунке 3.7 перед ранее рассмотренными является то, что в ней содержится только один сильноточный прибор − запираемый тиристор VS 1 . Управление им осуществляется разнополярными импульсами напряжения. При включении импульс положительной полярности (по отношению к катоду) подается от внешнего генератора импульсов на зажимы 1. Через токоограничивающий резистор R 2 этот импульс поступает на управляющий электрод тиристора VS 1 . Сам процесс включения запираемого тиристора протекает так же, как и у тиристора обычного исполнения (незапираемого).

Для выключения тиристора, на его управляющий электрод надо подать импульс напряжения отрицательной полярности. В приведенной на рисунке 3.7 схеме он формируется электрической цепью, выполненной на основе маломощного тиристора VS 2 . При поступлении на управляющий электрод тиристора импульса напряжения от внешнего генератора импульсов он включается. При этом предварительно заряженный от источника питания E G конденсатор С 2 (полярность зарядки указана на рисунке) разряжается на входную цепь запираемого тиристора VS 1 в направлении от катода к управляющему электроду.

Параллельно подключенная к тиристору VS 1 цепь, состоящая из диода VD 1 , резистора R 1 и конденсатора С 1 , выполняет защитные функции. В цепях с активной нагрузкой она предназначена для ограничения скорости нарастания восстанавливающегося напряжения. Как видно из осциллограммы i А = f(t) (рисунок 3.8), ток, примерно равный 200А, прерывается тиристором за время меньше микросекунды. Без принятия специальных мер это вызвало бы практически мгновенное восстановление сетевого напряжения на тиристоре.

Запираемые тиристоры, как и другие СПП, чувствительны к эффекту (du/dt) cr it , поэтому необходимо ограничивать скорость нарастания напряжения до значений, допустимых для используемого прибора. В схеме на рисунке 3.7 нарастание напряжения на тиристоре при его выключении определяется скоростью зарядки конденсатора С 1 , т. е. обеспечивается временной сдвиг между спадом тока в цепи и нарастанием напряжения на приборе.

Рисунок 3.7 − Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора

Рисунок 3.8 − Диаграммы изменения тока и напряжения

при выключении запираемого тиристора

Резистор R 1 в процессе зарядки конденсатора зашунтирован (закорочен) диодом, который в данном случае смещен в прямом направлении. Поэтому постоянная времени зарядки конденсатора определяется только сопротивлением соединительных проводов, собственным сопротивлением и индуктивностью конденсатора и дифференциальным сопротивлением диода. На осциллограмме (рисунок 3.8) изменение дифференциального сопротивления диода и индуктивность элементов защитной цепи проявляются кратковременным всплеском восстанавливающегося напряжения в момент времени, соответствующий началу спада анодного тока.

При включении запираемого тиристора конденсатор С 1 , который заряжен до напряжения источника питания, разряжается через резистор R 1 , так как диод VD 1 при этом оказывается смещенным в обратном направлении. Таким образом обеспечивается защита тиристора от превышения допустимой для него скорости нарастания тока при включении. Отметим, что емкость конденсатора защитной цепи, обеспечивающая нормальный режим работы запираемого тиристора в цепи с активной нагрузкой, составляет единицы микрофарад. В частности, приведенные на рисунке 3.8 осциллограммы получены при следующих параметрах цепи:

U А = 200 В; R Н =2 Ом; U G = 12 В; R 1 = 20 Ом; С 1 = 2 10 -6 Ф .

Резкое прерывание тока запираемым тиристором при отключении индуктивной нагрузки сопровождается не только высокой скоростью восстановления напряжения, но и многократными перенапряжениями. Для ограничения перенапряжений можно использовать защитную цепь с той же структурой (см. рисунок 3.7). Однако емкость конденсатора С 1 в этом случае может составить десятки и даже сотни микрофарад.

Если активное сопротивление нагрузки мало и рассеянием энергии в ней в процессе зарядки конденсатора можно пренебречь, то ориентировочно емкость конденсатора можно определить из равенства энергий

где L Н − индуктивность нагрузки, Гн;

I − отключаемый ток, А;

U max − максимально допустимое напряжение, В.

Для сравнения с режимом отключения активной нагрузки рассчитаем емкость конденсатора С 1 , необходимую для ограничения восстанавливающегося напряжения на уровне U max = 1,5U при отключении цепи с индуктивностью L H =10 -3 Гн :

Воспользовавшись выражением (3.6), определим емкость конденсатора, которая потребовалась бы для отключения этой же цепи выключателем с емкостной искусственной коммутацией (см. рисунок 3.3), выполненной на основе тиристора Т123-200 (t q = 250∙10 -6 с):

Сопоставляя полученные значения С 1 и С К , можно сделать заключение о их соизмеримости. Но надо иметь в виду, что выражение (3.6) определяет лишь условие достаточности емкости конденсатора для надежного выключения тиристора. Оно не учитывает возникающие при этом перенапряжения. Если выбор емкости С К производить с учетом ограничения перенапряжений, числовое значение ее будет намного больше. С другой стороны, при расчете емкости С К не учитывались потери энергии в элементах схемы в процессе зарядки конденсатора и реальная скорость изменения тока при запирании тиристора (-di/dt < ∞ ). Эти факторы способствуют уменьшению амплитуды восстанавливающегося напряжения.

3.4 ОСНОВНЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

По сравнению с коммутационными аппаратами постоянного тока полупроводниковые аппараты переменного тока имеют более сложную структуру. Принципиальная схема и конструктивное исполнение их определяются назначением, предъявляемыми требованиями и условиями работы. При том широком применении, которое находят бесконтактные устройства, существует большое многообразие вариантов их исполнения. Тем не менее, все они могут быть представлены обобщенной структурной схемой, которая показывает необходимое число функциональных блоков и их взаимодействие. На рисунке 3.9 приведена структурная схема полупроводникового аппарата переменного тока в однополюсном исполнении. Она включает в себя четыре функционально законченных узла.

Силовой блок 1 с элементами защиты от перенапряжений (RС -цепь на рисунке 3.9) является основой коммутирующего устройства, его исполнительным органом. Он может быть выполнен на базе только управляемых вентилей - тиристоров или с использованием диодов. При проектировании аппарата на ток, превышающий предельное значение тока одного прибора, требуется их параллельное соединение. При этом должны приниматься специальные меры, устраняющие неравномерность распределения тока по отдельным приборам, которая обусловлена не идентичностью их вольтамперных характеристик в проводящем состоянии и разбросом времени включения.

Блок управления 2 содержит устройства, которые осуществляют селекцию и запоминание команд, поступающих от органов управления или защиты, формируют управляющие импульсы с заданными параметрами, синхронизируют поступление этих импульсов на входы тиристоров с моментами перехода тока в нагрузке через нуль. Схема блока управления значительно усложняется, если аппарат, кроме функции коммутирования цепей, должен осуществлять регулирование напряжения и тока. В этом случае она дополняется устройством фазового управления, обеспечивающим сдвиг импульсов управления на заданный угол по отношению к нулю тока.

Блок датчиков режима работы аппарата 3 содержит измерительные устройства тока и напряжения, реле защиты различного назначения, схему выработки логических команд и сигнализации коммутационного положения аппарата.

Блок принудительной коммутации 4 объединяет в себе конденсаторную батарею, схему ее зарядки и коммутирующие тиристоры. В аппаратах переменного тока этот блок содержится только при условии использования их в качестве защиты (автоматических выключателей). Силовая часть аппарата может быть выполнена по схеме со встречно-параллельным включением тиристоров (см. рисунок 3.9), на основе симметричного тиристора (симистора) (рисунок 3.10, а ) и в различных сочетаниях тиристоров и диодов (рисунок 3.10, 6 и в ). В каждом конкретном случае при выборе варианта схемы должны учитываться следующие факторы: параметры по напряжению и току разрабатываемого аппарата, число используемых приборов, нагрузочная способность в длительном режиме и устойчивость к перегрузкам по току, степень сложности управления тиристорами, требования к массе и габаритам, стоимость.

Рисунок 3.9 − Структурная схема тиристорного аппарата

переменного тока

Рисунок 3.10 − Силовые блоки аппаратов переменного тока

Сравнение приведенных на рисунке 3.9 и 3.10 силовых блоков показывает, что наибольшими преимуществами обладает схема со встречно-параллельно включенными тиристорами. Такая схема содержит меньше приборов, отличается меньшими габаритами, массой, потерями энергии и стоимостью. По сравнению с симисторами тиристоры с односторонней (однонаправленной) проводимостью имеют более высокие параметры по току и напряжению, способны выдерживать значительно большие перегрузки по току. Тиристоры таблеточной конструкции обладают более высокой термоцикличностью. Поэтому схему с использованием симисторов можно рекомендовать для коммутации токов, не превышающих, как правило, классификационное значение тока единичного прибора, т. е. когда не требуется групповое их соединение. Отметим, что применение симисторов способствует упрощению системы управления силовым блоком, должен содержать выходной канал на полюс аппарата.

Схемы, изображенные на рисунке 3.10, б , в , иллюстрирует возможность проектирования коммутирующих устройств переменного тока с применением диодов. Обе эти схемы отличаются простотой управления, но имеют недостатки, обусловленные применением большого числа приборов. В схеме на рисунке 3.10, б переменное напряжение источника питания с помощью выпрямительного диодного моста преобразуется в двухполупериодное пульсирующее напряжение одной полярности. В результате только один тиристор, включенный на выходе выпрямительного моста (в диагональ моста), становится способным управлять током в нагрузке в течение обоих полупериодов, если в начале каждого полупериода на его вход будут поступать управляющие импульсы. Выключение схемы происходит при ближайшем переходе тока нагрузки через нуль после прекращения генерирования управляющих импульсов.

Следует иметь в виду, однако, что надежное выключение схемы обеспечивается лишь при минимальной индуктивности цепи на стороне выпрямленного тока. В противном случае даже при снижении напряжения в конце полупериода до нуля ток будет продолжать протекать через тиристор, препятствуя его выключению. Опасность аварийного режима работы схемы (не выключение) появляется также при увеличении частоты питающего напряжения. В этом случае может оказаться, что схемное время t C недостаточно для восстановления тиристором управляемости, т. е. t C < .

В схеме, на рисунке 3.10 в управление нагрузкой осуществляется двумя встречно включенными тиристорами, каждый из которых шунтирован в обратном направлении неуправляемым вентилем. Так как при таком соединении катоды тиристоров находятся под одним потенциалом, это позволяет использовать генераторы управляющих импульсов с одним выходом или с двумя выходами с общим заземлением. Принципиальные схемы таких генераторов значительно упрощаются. Кроме того, тиристоры в схеме, на рисунке 3.10, в, защищены от обратного напряжения и, следовательно, должны выбираться только по прямому напряжению.

По габаритам, техническим характеристикам и экономическим показателям устройства, выполненные по схемам, приведенным на рисунке 3.10, б, в , уступают коммутирующим устройствам, схемы которых показаны на рисунках 3.9 в , 3.10, а . Тем не менее, они широко применяются в устройствах автоматики и релейной защиты, где коммутируемая мощность измеряется сотнями ватт. В частности, они могут быть использованы в качестве выходных устройств формирователей импульсов для управления тиристорными блоками более мощных устройств.

Через каждый тиристор в схемах, приведенных на рисунках 3.9 и 3.10, в , протекает половина тока нагрузки. Отношение между средним током через тиристор (классификационный ток СПП, указываемый в технических условиях) и действующим током в цепи нагрузки равно

Соответственно средний ток, протекающий через тиристор, если его выразить через ток в нагрузке, запишется так

Аналогично средний ток, протекающий через тиристор в схеме на рисунке 3.10, б , определяется равенством

Симметричные тиристоры, проводящие ток в обоих направлениях, классифицируются по действующему току. Поэтому для схемы на рисунке 3.10, а

3.5 ТИРИСТОРНЫЙ КОНТАКТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УПРАВЛЕНИЕМ ОТ АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в силовой части могут выполнять различные функции. Так, тиристорный блок, выполненный по схеме на рисунке 3.9, одинаково успешно может работать и в качестве контактора, и в качестве выключателя. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается расширение области применения аппаратов по току или напряжению. Существенно можно повлиять на работу схемы и с помощью системы управления, что будет показано на примере работы тиристорного контактора

Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-параллельным соединением тиристоров VS 1 и VS 2 . Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R 1 , R 2 , R 3 и механического контакта S. Эта цепь подключена параллельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряжение на ее элементах, и в частности на резисторах R 1 и R 3 , изменяется синхронно с анодным напряжением на тиристорах. А так как эти резисторы подключены параллельно управляющим цепям тиристоров, то напряжение одной полярности одновременно нарастает и на аноде тиристора, и на его управляющем электроде.

Если это напряжение является положительным, например, по отношению к тиристору VS 1 и снимаемое с резистора R 1 напряжение превышает значение отпирающего напряжения, тиристор VS 1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тиристора VS 2 , диоды VD 1 и VD 2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.

Регулируемый резистор R 2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения I Gmax .

Рисунок 3.11 − Контактор переменного тока

Учитывая, что контакт S может быть замкнут в интервале полупериода в любой момент времени, в том числе и в момент достижения напряжением сети амплитудного значения U m , сопротивление резистора определяем из выражения

где R G − собственное сопротивление управляющей цепи тиристора.

Изменением сопротивления резистора R 2 можно управлять током во входных цепях тиристоров и, следовательно, моментом включения их по отношению к началу полупериода напряжения. В результате контактор становится способным выполнять еще одну функцию − регулирование тока в нагрузке. Предельный угол задержки включения тиристоров α max , который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90 º .

Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи, посредством изменения угла задержки включения тиристора, называют фазовым регулированием. Зависимости изменения напряжения на активной нагрузке и тока в ней от угла для рассматриваемой схемы определяются выражениями.

где 0< ≤90 °.

Минимальный угол задержки включения тиристоров при активной нагрузке ≈2 ° . Это объясняется тем, что все тиристоры имеют порог чувствительности по управляющей цепи и, кроме того, изменяющееся по синусоидальному закону анодное напряжение тоже должно превысить пороговое значение U(ТО), по крайней мере, в два раза. Эти факторы приводят к появлению бестоковых пауз в кривой тока нагрузки t п .

Из-за разброса характеристик управления тиристоров эти паузы могут быть неодинаковы по длительности, что приводит к появлению постоянной составляющей в токе нагрузки. При необходимости углы задержки включения тиристоров выравнивают регулированием токов управления посредством изменения сопротивления построечных резисторов R 1 и R 3 (см. рисунок 3.11).

Если есть необходимость расширить диапазон регулирования тока в нагрузке, то управляющие схемы выполняются с использованием RС -цепей (рисунок 3.12 а ).

Когда анодное напряжение на тиристоре становится положительным, конденсатор С перезаряжается через переменный резистор R и нагрузку от напряжения, равного – U m , до напряжения U GT , при котором происходит включение тиристора VS 1 (рисунок 3.12 б ). Изменяя постоянную цепи зарядки конденсатора τ = (R+R H)C посредством регулируемого резистора R, можно обеспечить задержку включения тиристора относительно максимального анодного напряжения, т.е. на угол > 90 ◦.

Выражения, определяющие изменение среднего и действующего напряжения на нагрузке, в зависимости от угла задержки включения тиристора, имеют соответственно вид

а − схема регулирования; б − временная характеристика

регулирования

Рисунок 3.12 − Принцип действия схемы управления на RС -цепях

Применяемый в рассмотренных схемах способ управления тиристорами является одним из самых простых и надежных, так как реализуется минимальным числом элементов в управляющих цепях. Вместе с тем непосредственная связь управляющего электрода и анода тиристора дает возможность обеспечить выполнение и других требований, которые предъявляются к системам управления: автоматически осуществляется жесткая синхронизация поступления управляющих сигналов с моментом возможного включения тиристоров; потери мощности на управление незначительны, так как длительность воздействия тока управления регулируется самим тиристором.

Как только он переключается в проводящее состояние, управляющая цепь оказывается зашунтированной малым сопротивлением (сопротивлением тиристора в проводящем состоянии) и ток в ней уменьшается практически до нуля.

Благодаря отмеченным факторам, схемы управления тиристорами с питанием от анодного напряжения широко применяются в аппаратах низкого напряжения. В частности, с использованием этого принципа управления отечественная промышленность выпускает тиристорные станции управления типа БСЭ, регуляторы яркости ламп накаливания, тиристорные пускатели типа ПТ в трехполюсном исполнении на номинальный ток до 63 А.

3.6 КОМБИНИРОВАННЫЕ КОНТАКТНО - ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АППАРАТЫ

Комбинированные электрические аппараты (называемые также гибридными) представляют собой устройства, содержащие одновременно контактную систему традиционных электромеханических аппаратов и силовую схему на основе СПП, подключенную параллельно размыкаемым контактом. В результате такого, по существу механического объединения контактных и бесконтактных коммутационных устройств в одной конструкции, достигается удачное сочетание преимуществ обоих типов аппаратов и в то же время исключаются многие их недостатки.

Принцип действия комбинированных аппаратов рассмотрим на простых устройствах (рисунок 3.13), в которых используются диоды и тиристоры. Во всех приведенных силовых блоках СПП соединяются параллельно с одним из размыкаемых контактов. Напомним, что в электромеханических аппаратах падение напряжения на замкнутых контактах при номинальных токах не превышает десятых долей вольта. При таких напряжениях СПП, соединенные параллельно с контактами, не переходят в состояние высокой проводимости и ток нагрузки через них практически не протекает.

Рисунок 3.13 − Силовые блоки комбинированных аппаратов

В процессе отключения аппарата соотношение сопротивлений контактной и полупроводниковой цепей изменяется, что приводит к перераспределению тока между ними.

Сущность этого явления рассмотрим на примере отключения аппарата, выполненного по схеме рисунка 3.13, а . Размыкание дугогасительных контактов S 1 в схеме необходимо обеспечить в начале полупериода тока, полярность которого совпадает с проводящим направлением диода VD (в интервале времени t 2 < t< t 3 , на рисунке 3.14). В этом случае напряжение на образующейся электрической дуге является прямым для диода. По мере увеличения расстояния между контактами и интенсивности воздействия на электрическую дугу, например, за счет перемещения ее в воздухе с большой скоростью под воздействием электромагнитного поля, сопротивление межконтактного промежутка растет и, следовательно, повышается напряжение на диоде. В результате создаются условия для переключения его в проводящее состояние.

Практически переход диода в проводящее состояние в аппаратах низкого напряжения происходит уже на стадии образования электрической дуги, так как приэлектродное падение напряжения на ней намного превышает пороговое напряжение СПП.

С этого момента времени ток в контактной цепи начинает быстро уменьшаться, а ток в полупроводниковой цепи нарастает. Длительность переходного процесса в течение которого коммутируемый ток полностью переходит в цепь диода и электрическая дуга гаснет, определяется в основном индуктивностью контуров, динамическими характеристиками используемого диода, способом воздействия на электрическую дугу.

В оставшееся до конца полупериода время t = t 4 − t 3 завершаются деионизационные процессы в межконтактном промежутке, восстанавливается его электрическая прочность.

Окончательное прерывание тока в цепи осуществляется диодом непосредственно за моментом времени t 4 , соответствующим изменению направления тока. В течение времени, пока напряжение является обратным для диода, необходимо разомкнуть вспомогательные контакты S 2 .

Заметим, что для иллюстрируемого (рисунок 3.14) случая отключения цепи с активно- индуктивной нагрузкой это время меньше полупериода. В пределе оно может быть равным 5 мс, что приводит к необходимости использования быстродействующих приводов.

Рисунок 3.14 − Диаграммы коммутационных процессов

в контактно-диодном аппарате

При включении аппарата последовательность замыкания контактов должна быть обратной: в непроводящий для диода полупериод напряжения необходимо замкнуть контакты отделителя S 2 , а в течение следующего полупериода − дугогасительные контакты S 1 .

Характерным для режима включения является замыкание контактов S 1 при малых напряжениях, определяемых падением напряжения на проводящем диоде. Вследствие этого исключаются предварительный пробой промежутка при сближении контактов и связанные с ним явления эрозии и сваривания контактов.

Но надо иметь в виду, что в комбинированных аппаратах существует опасность проявления этих же эффектов из-за высокой скорости нарастания тока в контактах после их соприкосновения. Поэтому конструкции контактного устройства и привода должны обеспечивать форсированное увеличение контактного нажатия до конечного значения.

Аппараты, выполненные по схеме на рисунке 3.13, б , по принципу действия, характеру протекающих процессов, не отличаются от рассмотренных выше. Однако наличие двух диодных цепей с встречно − ориентированной проводимостью позволяет осуществлять отключение в любой полупериод тока. В результате сокращается время отключения аппарата.

К недостаткам этого варианта относятся увеличение вдвое числа СПП и существенное усложнение конструкции механической части аппарата. Так как синхронизированное размыкание контактов осуществляется в последовательности, определяемой направлением тока в момент подачи команды на отключение, аппарат должен содержать два независимых и быстродействующих привода.

Жесткие требования предъявляются также к стабильности срабатывания приводов: они должны обладать малым разбросом времени. Очевидно, что достижение высокого уровня функциональной надежности при таком исполнении силовой части аппарата представляет сложную задачу.

Значительное упрощение приводного механизма и аппарата в целом можно получить при отказе от синхронизации размыкания контактов с соответствующим полупериодом тока. В этом случае оба контакта, управляемые общим приводом, размыкаются одновременно и в любую фазу тока. В результате на обеих контактных парах возникает электрическая дуга, но на одной из пар она гаснет из-за проявления шунтирующего действия диодной цепи. На других контактах, направление тока в которых не совпадает с проводящим направлением диодов в шунтирующей цепи, электрическая дуга поддерживается до конца полупериода (до изменения направления тока).

Максимальная длительность воздействия дуги на контакты, равная примерно 11 мс, соответствует наиболее неблагоприятному режиму, когда размыкание контактов происходит в относительно узком интервале времени перед прохождением тока через нуль.

В этом случае процесс перехода тока из контактной цепи в диодную не завершается или не успевает восстановиться электрическая прочность межконтактного промежутка, он вновь пробивается в начале следующего полупериода.

При большом числе отключений размыкание контактов S 1 и S 2 происходит с равной вероятностью как в интервале положительного, так и в интервале отрицательного полупериодов; тот же закон определяет распределение момента размыкания контактов в пределах каждого полупериода. В результате длительность воздействия электрической дуги на контакты уменьшается и, как следствие, увеличивается коммутационный ресурс аппарата. Причем, по сравнению с аналогичными аппаратами без шунтирующих диодных цепей, в которых гашение электрической дуги обеспечивается за один полупериод, увеличение ресурса составляет не менее 150 %.

Возможности комбинированных аппаратов могут быть существенно расширены при замене неуправляемых СПП тиристорами (рисунок 3.13, в ).

Полупроводниковая цепь в этом аппарате, выполненная по схеме с встречно-параллельном соединением тиристоров (см. рисунок 3.9), подключена параллельно только одним дугогасительным контактам. Но способность тиристоров находиться в закрытом состоянии при напряжении положительной полярности позволяет производить коммутационные операции в любой полупериод напряжения (тока).

Рисунок 3.15 − Переходные процессы в контактно –тиристорном аппарате

Рассмотрим взаимодействие контактного узла и тиристорного блока в режиме включения аппарата. Учитывая большое различие в быстродействие контактной цепи и СПП, команды на их включение надо выдавать не одновременно. Сначала должна поступить команда на включение привода контактов. По истечении определенного времени, равного собственному времени включения контактного аппарата, его контакты S 1 замыкаются. На рисунке 3.15 момент соприкосновения контактов соответствует времени t 2 .

С необходимым упреждением этого момента времени системой управления выдается управляющий импульс I G 1 на тиристор VS 1 , для которого напряжение в рассматриваемом полупериоде является прямым. В результате включения тиристора напряжение на сходящихся контактах снижается до значения падения напряжения на тиристоре в проводящем состоянии, т. е. до 1,5…2,5 В.

После соприкосновения контактов тиристорная цепь быстро обесточивается, так как сопротивление контактной цепи намного меньше дифференциального сопротивления тиристора.

При отключении аппарата последовательность работы контактной и тиристорной цепи та же, что и в контактно-диодных аппаратах. Отличие состоит только в том, что в момент времени размыкания контактов ( , на рисунке 3.15) на тиристор VS 2 должен поступить управляющий импульс тока I G 2 . Практически реализовать жесткую синхронизацию работы системы управления тиристорным блоком с приводным механизмом контактов очень сложно. Поэтому в большинстве коммутационных устройств такого типа управляющие импульсы на входы тиристоров подаются с упреждением размыкания контактов, учитывающим нестабильность работы во времени механической части аппарата.

Как и при использовании диодов, в контактно-тиристорных аппаратах размыкание контактов и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка должны завершаться до окончания полупериода. Если конструкция аппарата не обеспечивает синхронизированное отключение, контакты могут разомкнуться в любой момент времени, в том числе и в критической зоне полупериода перед прохождением тока через нуль, в котором ток не успевает перейти из контактной цепи в полупроводниковую. В этом случае необходимо, чтобы в начале следующего полупериода системой управления обеспечивалось включение тиристора с другим направлением проводимости.

Обобщая рассмотренные возможности создания комбинированных аппаратов, выделим наиболее важные их характеристики.

Во всех вариантах исполнения комбинированных аппаратов СПП (диоды или тиристоры) при длительном номинальном режиме не проводят ток, поэтому исключаются относительно большие потери мощности, характерные для полупроводниковых аппаратов. Следовательно, по этому показателю комбинированные аппараты не отличаются от обычных контактных.

В режимах изменения аппаратом коммутационных положений с помощью СПП осуществляется шунтирование межконтактных промежутков малым сопротивлением, свойственным для диодов и тиристоров в проводящем состоянии. Этим обеспечивается быстрое гашение электрической дуги, возникающей в процессе включения из-за дребезга контактов и при отключении аппарата. Опыт эксплуатации комбинированных аппаратов показывает, что при коммутации токов до 500А длительность горения дуги не превышает 100 мкс. В результате комбинированные аппараты обладают коммутационной износостойкостью, в 20 − 50 раз большей, чем у контактных.

Так как СПП в комбинированных аппаратах подвергаются кратковременному воздействию тока, имеется возможность максимально использовать их импульсную перегрузочную способность. При начальной температуре структуры (20±5)°С большинство приборов допускает нагрузку однополупериодным импульсом тока синусоидальной формы, длительностью 10 мс с амплитудой, превышающей значение среднего (классификационного) тока в

8 − 10 раз. Например, диоды типа Д253-1600 способны выдерживать ток без ухудшения характеристик с амплитудой 12 кА. С уменьшением длительности импульса до 2 мс допустимая амплитуда тока возрастает примерно в три раза. В аварийных режимах, число которых за время работы СПП должно ограничиваться единицами, амплитуда тока увеличивается соответственно до 28 кА при длительности импульса 10 мс и до 44 кА − при 2 мс.

Во многих случаях указанная перегрузочная способность достаточна для создания комбинированных аппаратов без параллельного соединения приборов в силовых блоках. При обеспечении размыкания контактов непосредственно перед критической зоной полупериода тока, достигается наилучшее использование импульсной нагрузочной способности СПП.

Важным обстоятельством является и то, что при кратковременных токовых воздействиях выделяющаяся теплота в структуре СПП не распространяется за пределы элементов конструкции, непосредственно к ней прилегающих. Поэтому отпадает необходимость не только в применении принудительного охлаждения, но и в самих охладителях. В результате существенно упрощается конструкция полупроводникового блока, уменьшаются его масса и габариты.

Отмеченные положительные особенности комбинированных аппаратов определили интенсивное их развитие. К настоящему времени разработаны и выпускаются промышленностью несколько вариантов таких аппаратов, отличающихся как по конструктивному исполнению контактных и полупроводниковых частей, так и по способу управления тиристорами. Схема одного из вариантов комбинированного контактора с системой управления, питающейся от трансформатора тока, приведена на рисунке 3.16 .

Рисунок 3.16 − Принципиальная схема комбинированного

контактора

Полупроводниковый блок в ней подсоединен параллельно цепи, состоящей из контактов S и последовательно включенной с ними первичной обмотки трансформатора тока ТА . Две вторичные обмотки трансформатора через диоды, согласующие полярность управляющего и анодного напряжения, замкнуты на управляющие цепи тиристоров. При включенных контактах S через них, следовательно через первичную обмотку трансформатора тока, протекает синусоидальный ток

Во вторичных обмотках трансформатора ток в общем случае будет несинусоидальным из-за нелинейности сопротивления управляющей цепи тиристоров и влияния стабилитронов, которые защищают эти обмотки от превышения допустимого напряжения. При номинальном токе в цепи контакторов тиристоры не должны включаться. Это обеспечивается выбором параметров таким образом, чтобы суммарное падение напряжения на первичной обмотке трансформатора и замкнутых контактах не превышало пороговое напряжение U (TO) используемых силовых тиристоров.

При протекании сквозных токов короткого замыкания напряжений между точками присоединения тиристорного блока к главной цепи значительно увеличивается и создаются условия для включен