Тиристорный выключатель переменного тока схема. Тиристорный выключатель переменного тока: принцип работы, схемы и применение

Как работает тиристорный выключатель переменного тока. Какие схемы используются для создания тиристорных выключателей. Где применяются тиристорные выключатели в электротехнике. Каковы преимущества тиристорных выключателей перед механическими.

Принцип работы тиристорного выключателя переменного тока

Тиристорный выключатель переменного тока представляет собой электронное устройство для коммутации цепей переменного тока, в котором в качестве коммутирующих элементов используются тиристоры или симисторы. Основные преимущества тиристорного выключателя:

• Отсутствие механических контактов и электрической дуги при коммутации
• Высокое быстродействие
• Возможность частых коммутаций без износа
• Малые габариты
• Бесшумность работы

Принцип работы тиристорного выключателя основан на свойстве тиристора проводить ток только в одном направлении после подачи управляющего импульса. Для коммутации переменного тока используется пара встречно-параллельно включенных тиристоров.

Основные схемы тиристорных выключателей переменного тока

Рассмотрим наиболее распространенные схемы тиристорных выключателей переменного тока:

1. Простейшая схема однофазного тиристорного выключателя

Состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров VS1 и VS2. Управляющие электроды тиристоров подключены через диоды VD1, VD2 и резистор R к аноду противоположного тиристора.

2. Схема с формированием управляющих импульсов

Для повышения надежности включения тиристоров применяются схемы формирования коротких управляющих импульсов. Это позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую в цепи управления.

3. Трехфазная схема тиристорного выключателя

Для коммутации трехфазных цепей используется три пары встречно-параллельных тиристоров — по одной паре на каждую фазу. Управление может осуществляться как синхронно для всех фаз, так и независимо.

Применение тиристорных выключателей переменного тока

Основные области применения тиристорных выключателей:

• Бесконтактные пускатели и контакторы для управления электродвигателями
• Регуляторы мощности в системах электронагрева
• Коммутаторы в системах освещения
• Бесконтактные автоматические выключатели
• Устройства плавного пуска электродвигателей
• Регуляторы напряжения в системах электропитания

Преимущества тиристорных выключателей перед механическими

По сравнению с традиционными электромеханическими выключателями, тиристорные выключатели имеют ряд существенных преимуществ:

• Высокое быстродействие (время коммутации единицы миллисекунд)
• Отсутствие дребезга контактов при включении
• Отсутствие электрической дуги при отключении
• Возможность частых коммутаций без механического износа
• Бесшумность работы
• Малые габариты и вес
• Высокая надежность и длительный срок службы

Особенности управления тиристорными выключателями

Для корректной работы тиристорного выключателя необходимо обеспечить правильное управление тиристорами. Основные требования к схемам управления:

• Формирование коротких управляющих импульсов для снижения потерь
• Синхронизация управляющих импульсов с сетевым напряжением
• Обеспечение надежного включения тиристоров при малых токах нагрузки
• Защита от ложных включений при помехах
• Гальваническая развязка силовых и управляющих цепей

Проблемы применения тиристорных выключателей

При использовании тиристорных выключателей возникает ряд специфических проблем:

• Генерация высших гармоник в сеть при работе на активно-индуктивную нагрузку
• Необходимость принудительного охлаждения при больших токах нагрузки
• Сложность реализации защитного отключения при коротких замыканиях
• Чувствительность к перенапряжениям в сети
• Относительно высокая стоимость по сравнению с механическими выключателями

Несмотря на указанные недостатки, тиристорные выключатели находят широкое применение в промышленной электротехнике благодаря своим уникальным свойствам.

Перспективы развития тиристорных выключателей

Основные направления совершенствования тиристорных выключателей:

• Применение новых типов силовых полупроводниковых приборов (IGBT, IGCT)
• Разработка интеллектуальных систем управления на базе микроконтроллеров
• Интеграция функций защиты и диагностики
• Снижение уровня электромагнитных помех
• Повышение надежности и увеличение срока службы

Развитие технологий силовой электроники открывает новые возможности для создания высокоэффективных тиристорных выключателей с улучшенными характеристиками.

Схема управления симистором. Включение тиристора схема включения тиристора

Самое простое включение тиристора и симистора

В различных электронных устройствах в цепях переменного тока в качестве силовых ключей широко применяют тринисторы и симисторы. Данная статья призвана помочь в выборе схемы управления подобными приборами.

Самый простой способ управления тиристорами — это подача на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (рис. 1). Ключ SA1 на рис. 1 и на последующих рисунках — это любой элемент, обеспечивающий замыкание цепи: транзистор, выходной каскад микросхемы, оптрон и др. Этот способ прост и удобен, но обладает существенным недостатком — требуется довольно большая мощность управляющего сигнала. В табл. 1 приведены наиболее важные параметры для обеспечения надежного управления некоторыми самыми распространенными тиристорами (три первых позиции занимают тринисторы, остальные — симисторы). При комнатной температуре для гарантированного включения перечисленных тиристоров требуется ток управляющего электрода Iу вкл равный 70–160 мА. Следовательно, при напряжении питания, типовом для собранных на микросхемах узлов управления (10–15 В), требуется постоянная мощность 0,7–2,4 Вт.

Отметим, что полярность управляющего напряжения для тринисторов положительная относительно катода, а для симисторов — или отрицательная для обоих полупериодов, или совпадающая с полярностью напряжения на аноде. Также можно добавить, что часто в соответствии с указаниями по применению требуется шунтирование управляющего перехода тринисторов сопротивлением 51 Ом (R2 на рис. 1) и не требуется никакого шунтирования для симисторов.

Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора, обычно меньше цифр, приведенных в табл. 1, поэтому нередко идут на его снижение относительно гарантированных значений: для тринисторов — до 7–40 мА, для симисторов — до 50–60 мА. Такое снижение часто приводит к ненадежной работе устройств, и необходимости предварительной проверки или же подбора тиристоров. Уменьшение управляющего тока также может приводить к возникновению помех радиоприему, поскольку включение тиристоров при малых токах управляющего электрода происходит при относительно большом напряжении на аноде — несколько десятков вольт, что приводит к броскам тока через нагрузку и, следовательно, к мощным помехам.

Недостатком управления тиристорами постоянным током является гальваническая связь источника управляющего сигнала и сети. Если в схеме с симистором (рис. 1, б) при соответствующем включении сетевых проводов источник управляющего сигнала можно соединить с нулевым проводом, то при использовании тринистора (рис 1, а) такая возможность возникает лишь при исключении выпрямительного моста VD1–VD4. Последнее приводит к однополупериодной подаче напряжения на нагрузку и двукратному уменьшению поступаемой в нее мощности.

В настоящее время в связи с большой потребляемой мощностью запуск тиристоров постоянным током при бестрансформаторном питании пусковых узлов (с гасящим резистором или конденсатором) практически не используется.

Одним из вариантов снижения потребляемой узлом управления мощности является использование вместо постоянного тока непрерывной последовательности импульсов с относительно большой скважностью. Поскольку время включения типовых тринисторов составляет 10 мкс и менее, можно подавать на их управляющий электрод импульсы такой же длительности со скважностью, например, 5–10–20, что соответствует частоте 20–10–5 кГц. В этом случае потребляемая мощность также уменьшается в 5–10–20 раз соответственно.

Однако при таком способе управления выявляются некоторые новые недостатки. Во-первых, теперь тиристор включается не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в произвольные моменты времени, отстоящие от начала полупериода на время, не превышающее периода запускающих импульсов, т. е. 50–100–200 мкс.

За это время напряжение сети может возрасти примерно до 5–10–20 В. Это приводит к возникновению помех радиоприему и к некоторому уменьшению выходного напряжения, впрочем, малозаметному.

Существует еще одна проблема. Если при включении в начале полупериода во время действия запускающего импульса ток через тиристор не достигнет тока удержания (Iуд, табл. 1), тиристор после окончания импульса выключится. Следующий импульс вновь включит тиристор, и он не выключится лишь в том случае, если к моменту окончания импульса ток через него будет больше тока удержания. Таким образом, ток через нагрузку сначала будет иметь вид нескольких коротких импульсов и лишь потом — синусоидальную форму.

Если же нагрузка имеет активноиндуктивный характер (например, электродвигатель), ток через нее за время действия короткого включающего импульса может не успеть достичь величины тока удержания, даже когда мгновенное напряжение в сети максимально. Тиристор после окончания каждого импульса будет выключаться. Этот недостаток ограничивает снизу длительность запускающих импульсов и может свести на нет уменьшение потребляемой мощности.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском

Применение импульсного запуска облегчает гальваническую развязку между узлом управления и сетью, ибо ее может обеспечить даже небольшой трансформатор с коэффициентом трансформации, близким к 1:1. Его обычно наматывают на ферритовом кольце диаметром 16–20 мм с тщательно выполненной изоляцией между обмотками. Следует предостеречь от применения малогабаритных импульсных трансформаторов промышленного изготовления. Как правило, они имеют низкое напряжение изоляции (около 50–100 В) и могут служить причиной поражения электрическим током, если при использовании прибора будет считаться, что цепь управления изолирована от сети.

Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском.

Снижение требуемой при импульсном управлении мощности и возможность введения гальванической развязки позволяют применить в узлах управления тиристорами бестрансформаторное питание.

Включение тиристора через ключ и ограничительный резистор

Третий широко распространенный способ включения тиристоров — подача на управляющий электрод сигнала с его анода через ключ и ограничительный резистор (рис. 2). В таком узле ток через ключ протекает в течение нескольких микросекунд, пока включается тиристор, если напряжение на аноде достаточно велико. В качестве ключей используют малошумящие электромагнитные реле, высоковольтные биполярные транзисторы, фотодинисторы или фотосимисторы (схемы на рис. 2 соответственно). Способ включения тиристора прост и удобен, не критичен к наличию у нагрузки индуктивной составляющей, но имеет недостаток, на который нередко не обращают внимания.

Недостаток связан с противоречивостью требований к ограничительному резистору R1. С одной стороны, его сопротивление должно быть как можно меньше, чтобы включение тиристора происходило как можно ближе к началу полупериода сетевого напряжения. С другой стороны, при первом открывании ключа, если оно не синхронизировано с моментом прохождения сетевого напряжения через нуль, напряжение на резисторе R1 может достигать амплитудного напряжения сети, т. е. составлять 310–350 В. Импульс тока через этот резистор не должен превышать допустимых значений для ключа и управляющего перехода тиристора. В табл. 2 приведены некоторые параметры наиболее часто применяемых отечественных фототиристоров (приборы серий АОУ103/3ОУ103 и АОУ115 — фотодинисторы, АОУ — фотосимисторы). Исходя из значений максимально допустимого импульсного тока управления (табл. 1) и максимального импульсного тока через ключ (табл. 2), можно для каждой конкретной пары приборов определить минимально допустимое сопротивление ограничительного резистора. Например, для пары КУ208Г (Iу, вкл макс = 1 А) и АОУ160А (Iмакс, имп = 2 А) можно выбрать R1 = 330 Ом. Если ток управляющего электрода, при котором происходит включение симистора, соответствует его максимальному значению 160 мА, симистор будет включаться при напряжении на аноде равном 0,16·330 = 53 В.

Как и в случае с подачей управляющих импульсов относительно большой скважности, это приводит к возникновению помех и к некоторому уменьшению выходного напряжения. Поскольку реальная чувствительность тиристоров по управляющему электроду обычно лучше, задержка открывания тиристора относительно начала полупериода меньше рассчитанной выше предельной величины.

Сопротивление ограничивающего резистора R1 может быть уменьшено на величину сопротивления нагрузки, поскольку в момент включения они включены последовательно.

Более того, если нагрузка имеет гарантированно индуктивно-резистивный характер, можно еще более уменьшить сопротивление указанного резистора. Однако если нагрузкой являются лампы накаливания, надо помнить, что их холодное сопротивление примерно в десять раз меньше рабочего.

Следует также иметь ввиду, что включающий ток симисторов имеет разную величину для положительной и отрицательной полуволн сетевого напряжения. Поэтому в выходном напряжении мо жет появиться небольшая постоянная составляющая.

Из фотодинисторов серии АОУ103/3ОУ103 для управления тиристорами в сети 220 В по максимально допустимому напряжению подходят только 3ОУ103Г, однако неоднократно проверено, что и АОУ103Б и АОУ103В годятся для работы в этом режиме.

Различие между приборами с индексами Б и В заключается в том, что подача напряжения обратной полярности на АОУ103Б не допускается. Аналогично и различие между АОУ115Г и АОУ115Д: приборы с индексом Д допускают подачу обратного напряжения с индексом Г — нет.

Существенного сокращения потребляемой цепями управления мощности можно добиться, если включать ток управляющего электрода в момент включения тиристора. Два варианта схем узлов управления, обеспечивающих такой режим, приведены на рис. 3.

Включение тринистора в схеме на рис. 3, а происходит в момент замыкания контактов ключа SA1. После включения тринистора элемент DD1.1 выключается, и ток управляющего электрода прекращается, что существенно экономит потребление по цепи управления. Если напряжение на тринисторе в момент включения SA1 будет меньше порога переключения DD1.1, тринистор не включится, пока напряжение на нем не достигнет этого порога, т. е. не станет несколько более половины напряжения питания микросхемы. Регулировать пороговое напряжение можно подбором сопротивления нижнего плеча делителя резистора R6. Резистор R2 обеспечивает низкий логический уровень на входе 1 элемента DD1. 1 при закрывании тринистора VS1 и диодного моста VD2.

Для аналогичного включения симистора необходим узел двуполярного управления элементом совпадения DD1.1 (рис. 3, б). Этот узел собран на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2–R4. Транзистор VT1 включен по схеме с общей базой, и напряжение на его коллекторе становится по модулю меньше порога переключения элемента DD1.1, когда напряжение на аноде симистора VS1 положительно относительно катода и превышает его примерно на 7 В. Аналогично транзистор VT2 входит в насыщение, когда отрица тельное напряжение на аноде становится по модулю больше –6 В.

Такой узел выделения момента прохождения напряжения через нуль широко применяется в различных разработках. При всей кажущейся привлекательности узлы, выполненные по схемам, приведенным на рис. 3, и им аналогичные, обладают существенным недостатком: если по какойлибо причине тиристор не включится, ток через его управляющий электрод будет идти неопределенно долго. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры по ограничению длительности импульса или рассчитывать источник питания на полный ток, т. е. на такую же мощность, как и для узлов по схеме на рис. 1.

Наиболее экономичные схемы управления используют формирование одиночного включающего импульса вблизи перехода сетевого напряжения через нуль. Две несложных схемы таких формирователей приведены на рис. 4, а временные диаграммы их работы — на рис. 5 (а и б соответственно). Недостатком, впрочем совершенно несущественным в большинстве случаев, является то, что первое включение происходит не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в самом конце того, во время которого был замкнут ключ SA1.

Двойная длительность включающего импульса 2Т0 определяется порогом переключения элемента ИЛИ НЕ с учетом делителя R2R3 (рис. 4, а) или порогом формирователя на VT1, VT2 (рис. 4, б), и рассчитывается по формуле

13.jpg (613 bytes)

Скорость изменения сетевого напряжения при переходе через нуль

14.jpg (926 bytes)

и при Uпор = 50 В двойная длительность составит 2Т0 = 1 мс. Скважность импульсов равна 10, и средний потребляемый ток в 10 раз меньше амплитудного значения, необходимого для надежного включения тиристора.

Минимальная длительность включающего импульса определяется тем, что он должен оканчиваться не ранее, чем ток через нагрузки достигнет тока удержания тиристора. Например, если нагрузка имеет мощность 200 Вт (Rн = 2202/200 = 242 Ом), а ток удержания симистора КУ208 — 150 мА, то этот ток достигается при мгновенном напряжении в сети 242·0, 15 = 36 В, т. е. при скорости нарастания 100 В/мс окончание импульса запуска должно быть не ранее, чем через 360 мкс от момента перехода напряжения через нуль. Снизить потребляемую мощность еще примерно в десять раз можно за счет подачи на третий вход элементов ИЛИ — НЕ схем на рис. 4 непрерывной последовательности импульсов (показано штриховыми линиями), как это было упомянуто в начале статьи применительно к узлам по схемам на рис. 1. При этом проявляются те же недостатки, что и при непрерывной подаче импульсов на управляющий электрод.

Для уменьшения потерь мощности можно сформированный в узлах по схемам на рис. 4 импульс, продифференцировать его, и продифференцированный задний фронт использовать как запускающий для тиристора (рис. 6). Параметры этого запускающего импульса Ти следует выбирать так. Он должен начинаться как можно раньше после прохождения сетевого напряжения через нуль, чтобы бросок тока через нагрузку в момент включения в начале каждого полупериода был бы минимальным и минимальными были бы помехи и потери мощности. Здесь ширина импульса, формируемого в момент прохождения напряжения сети через нуль, ограничена снизу только временем перезаряда дифференцирующей цепи C1R7 и может быть достаточно малой, но конечной. Оканчиваться импульс должен, как и для предыдущего варианта, не ранее, чем когда ток через нагрузку достигнет тока удержания тиристора.

При работе узлов по схемам на рис. 7 и 8 подача на управляющий электрод импульса включения спрямляет выходную характеристику тиристора в момент прохождения сетевого напряжения через нуль и при правильно выбранной длительности импульса удерживает тиристор во включенном состоянии до момента достижения тока удержания даже при наличии небольшой индуктивной составляющей нагрузки. Источник питания таких узлов может быть собран по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором или, что еще лучше, конденсатором. Помех радиоприему такое включение тиристоров не создает и может быть рекомендовано для всех случаев управления нагрузками с малой индуктивной составляющей.

Если же нагрузка имеет выраженный индуктивный характер, можно рекомендовать схемы управления, приведенные на рис. 2. Для уменьшения помех радиоприему необходимо включение в сетевые провода помехоподавляющих фильтров, а если провода от регулятора до нагрузки имеют заметную длину, то и в эти провода тоже.

Выше были рассмотрены варианты управления тиристорами при их использовании в качестве ключей. При фазоимпульсном управлении мощностью нагрузок можно использовать описанные выше схемотехнические решения по формированию импульсов в моменты перехода сетевого напряжения через нуль для запуска времязадающего узла запуска тиристора. Отметим, что такой узел должен давать стабильную задержку включения тиристора, не зависящую от напряжения сети и температуры, а длительность формируемого импульса должна обеспечить достижение тока удержания независимо от момента включения нагрузки в пределах полупериода.

29.3 Выключатели тиристорные

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преимущественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недостаток — трудность выключения — в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента приведена на рис. 129. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристо­ров. Если на аноде тиристора VS1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании контакта

К через диод VD1 и резистор R пройдет импульс тока управ­ления тиристором VS1. В результате тиристор VS1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, анало­гично включается тиристор VS2. Пока контакт К будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источни­ка к нагрузке.

Контакторы (пускатели). Тиристорные элементы (рис. 129) являются основой однофазных и трехфазных контакторов. На рис. 130 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры VS1 — VS10, которые открываются контактами К11, К12, К13 реле К1 (вперед) или контактами К21, К22, К23 реле К2 (назад). Трансформаторы тока ТА1 и ТА2 подают сигнал перегрузки в блок защиты БЗ, который, воздействуя на базу транзистора VT, снимает питание реле К1 и К2 и тем самым отключает пускатель.

Аналогично устроены тиристорные станции управления асинхронными нерегулируемыми электроприводами мощностью до 100 кВт типа ТСУ. Станции выполняют операции пуска, останова, динамического торможения и реверса двигателя.

Использование тиристоров в качестве бесконтактных аппаратов на постоянном токе затруднительно из-за проблемы отключения. Если в цепях переменного тока тиристоры включаются автоматически при прохождении тока через нуль, то в цепях постоянного тока приходится применять специальные меры по принудительному снижению тока тиристора до нуля, т. е. производить так нарываемую принудительную коммутацию тока тиристора. Существует много разнообразных схем принудительной коммутации. Большинство из них содержит коммутирующие конденсаторы, которые в нужный момент с помощью вспомогательных тиристоров вводятся в цепь основного тиристора и включают

его.

Рис. 129. Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента

На рис. 131 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS включается цепь нагрузки Rн, (ток через тиристор i_T равен сумме токов нагрузки i_Н и через конденсатор i_С), коммутирующий конденсатор С заряжается до напряжения источника U. Полярность напряжения и_с указана на рис. 131, а. Схема готова к отключению, и если в момент t1 подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор VS_B, то конденсатор С окажется включённым параллельно тиристору VS, ток нагрузки перейдет с тиристора VS на конденсатор С и тиристор VS выключится. Под действием ЭДС источника конденсатор будет перезаряжаться. Напряжение конденсатора и_с изменится в процессе перезаряда от — U до +U (рис. 131,б), а ток i_c постепенно спадет до нуля. Нагрузка Rн окажется отключенной от источника. Если теперь снова в момент t₂ включить нагрузку Rн, открыв тиристор VS, то опять конденсатор С зарядится до напряжения — U и схема будет готова к повторному отключению.

Рис. 130. Схема нереверсивного пускателя

Таким образом, отключение тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Эта проблема решится окончательно лишь после создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления.

Рис. 131. Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а) и диаграмма его работы (б)

Рис. 132. Схема бесконтактного выключателя Рис. 133. Осциллограмма отключения тока короткого замыкания

Выключатели автоматические. На базе тиристорных элементов (см. рис. 129) выполняются автоматические бесконтактные выключатели серии ВА81 на токи до 1000 А. Они предназначены для защиты электрических установок в сетях напряжением 380/660 В переменного тока частотой 50 — 60 Гц при перегрузках и коротких замыканиях, а также для коммутаций с различной частотой включения. В этих выключателях применяется принудительное выключение тиристоров с помощью схемы принудительной коммутации (рис. 132). Основной тиристор VS1 серии Т-160 управляется импульсами от генератора повышенной частоты (на рисунке не показан). Выключение тиристора VS1 производится разрядом конденсатора С через коммутирующий тиристор VS2. Последний включается от напряжения коммутирующего конденсатора С через маломощный тиристор VS3, что обеспечивает снижение мощности схемы управления. Конденсатор С заряжается от напряжения сети через трансформатор и диод VD1. Каждый выключатель состоит из трех силовых блоков с встречно-параллельно включенными основными тиристорами.

Благодаря использованию принудительной коммутации тиристоров защита от коротких замыканий осуществляется с ограничением тока в процессе отключения. На рис. 133 изображена осциллограмма отключения тока короткого замыкания тиристорным выключателем. Кривая 1 показывает нарастание тока короткого замыкания при отсутствии защиты, а кривая 2 — при отключении тиристорного выключателя схемой принудительной коммутации. Как видно из рисунка, в этом, случае нарастание тока короткого замыкания прерывается и максимальный ток i_maxсоставляет не более 0,02 — 0,05 ударного тока короткого замыкания.

Устройства выходные (промежуточные реле). Схемы на рис. 129 широко используются в качестве коммутирующих устройств цепей управления исполнительных аппаратов (пускатели, контакторы, электромагниты, муфты и т. п.). Примером могут служить устройства выходные бесконтактные типа УВБ-11, которые предназначены для усиления выходных командных сигналов логических устройств и коммутации цепей нагрузки переменного и постоянного тока. Они рассчитаны на коммутацию цепей переменного тока до 6 А и напряжением до 380 В, цепей постоянного тока до 4 А и 220 В.

На рис. 134 приведена схема усилителя УВБ-11-19-3721, предназначенная для коммутации цепей переменного тока. В качестве коммутирующего элемента используется симистор VS типа ТС2-25, зашунтированный варистором R для защиты . от перенапряжений. Включение симистора осуществляется путем соединения его управляющего электрода с одним из силовых выводов с помощью контакта герконового реле К. Это реле одновременно осуществляет и гальваническую развязку входной и выходной цепей. Выключение сеимистора

Рис. 134. Усилитель УВБ-11-19-3721: а — условное обозначение; б — функциональная схема

при разомкнутом контакте К происходит самопроизвольно при первом переходе тока нагрузки через нуль. Для того чтобы схема управлялась логическими сигналами от других элементов, предусмотрен согласующий каскад на ИС типа К511ЛИ1, выход которого подключен к обмотке герконового реле К.

В усилителях, предназначенных для коммутации цепей нагрузки постоянного тока, эта коммутация осуществляется тиристором, который выключается с помощью схемы принудительной коммутации, т. е. путем разряда на тиристор заряженного заранее конденсатора.

Как использовать тиристоры в качестве статического выключателя?

Опубликовано 16 ноября 2020 г.

Автоматический выключатель — это электрический выключатель, используемый в электрических цепях для подключения и отключения нагрузки при необходимости. Помимо ручного подключения и отключения нагрузки, автоматические выключатели выполняют еще одну важную роль в цепи — защищают компоненты цепи от перегрузки по току в случае неисправности или перегрузки. В таких ненормальных условиях ток в цепи быстро увеличивается, и контакты автоматического выключателя размыкаются, прерывая путь прохождения тока и, таким образом, разрывая цепь.

Большинство промышленных нагрузок имеют индуктивную природу. Проблема с обычными автоматическими выключателями заключается в том, что для отключения большого тока контакты автоматического выключателя должны физически раздвигаться друг от друга. Если нагрузка индуктивная, на контактах автоматического выключателя появляется большой всплеск напряжения (из-за L*di/dt), когда они пытаются сдвинуться, и при этом между контактами возникает дуга. Для гашения дуги необходимы вспомогательные устройства, а срок службы выключателя ограничивается эрозией контактов из-за воздействия на них высокой температуры дуги.

Все функции, выполняемые автоматическим выключателем, можно выполнять с помощью силовых полупроводниковых устройств, используя их в качестве управляемых переключателей. Поскольку в них нет движущихся частей, силовые полупроводниковые устройства известны как статические переключатели. И когда они реализованы как автоматический выключатель, они называются статическими автоматическими выключателями.

Управляемые силовые полупроводниковые устройства, такие как тиристор, начинают проводить ток, когда он смещен в прямом направлении и на его затвор подается напряжение. Он продолжает проводить ток, пока напряжение на нем положительное, и прекращает проводить ток, как только напряжение на нем становится отрицательным.

Схема на изображении ниже показывает, как два тиристора соединены в обратной параллельной конфигурации. Цепь питается от трансформатора, который подключается к системе распределения. Импульсы запуска затвора на тиристоры подаются схемой управления затвором через импульсные трансформаторы запуска. Это необходимо, чтобы изолировать цепь тиристора большой мощности от цепи управления затвором малой мощности.

Ток нагрузки измеряется с помощью трансформатора тока и постоянно подается обратно в схему управления затвором, которая постоянно контролирует ток нагрузки и в соответствии с этим планирует запускающие импульсы.

Импульсы затвора синхронизированы с переходом через 0 тока нагрузки. Поскольку нагрузка имеет индуктивный характер, ток отстает от напряжения на угол коэффициента мощности Ф. В положительный полупериод тока нагрузки T ₁ срабатывает, а T ₂ смещается в обратном направлении. T ₁ проводит ток нагрузки от Ф до π+Ф.

В отрицательный полупериод тока нагрузки срабатывает T ₂ , а T ₁ смещается в обратном направлении. Следовательно, T ₂ проводит ток нагрузки в течение этого времени. Такая синхронизированная работа двух тиристоров обеспечивает бесперебойную подачу тока на нагрузку, как показано на временной диаграмме ниже.

Предположим, что произошел сбой, и величина тока в цепи превышает предварительно выбранный уровень. С этого момента схема управления затвором будет сдерживать импульс затвора. Тиристоры не будут открываться из-за отсутствия импульса затвора и, следовательно, не будут проводить ток. Таким образом, ток короткого замыкания успешно прерывается. Тиристоры для таких конструкций следует выбирать тщательно, поскольку они должны быть способны блокировать высокое напряжение, которое появляется на них при возникновении неисправности.

Скажем, неисправность возникает в любой момент, скажем, в промежутке от 4π+Ф до 5π+Ф. Ток нагрузки прервется только при 5π+Ф, когда T ₁ перестанет проводить ток и импульс запуска затвора T ₂ будет удержан. Это показывает, что максимально возможная задержка для разрыва цепи составляет один полупериод, т. е. π/ω секунд.

Может потребоваться сброс схемы управления стробирующими импульсами после устранения неисправности для возобновления нормальной работы.

В обычном автоматическом выключателе минимальное время, необходимое для отключения тока короткого замыкания, составляет около 2-3 полупериодов в зависимости от величины тока короткого замыкания. Одно из основных преимуществ статического автоматического выключателя по сравнению с обычным автоматическим выключателем заключается в том, что он работает быстрее. Конструктивные характеристики управляемых силовых полупроводниковых переключателей для таких приложений включают в себя высокое номинальное напряжение и способность выдерживать высокие пусковые токи.

Однако использование таких высококачественных силовых полупроводниковых переключателей в качестве статических автоматических выключателей не оправдано для применений, где нагрузка имеет высокое активное сопротивление, например, в бытовых осветительных/отопительных нагрузках. Принимая во внимание, что для каждой цепи нужен отдельный автоматический выключатель, а полупроводниковые устройства с высокой мощностью стоят дороже, установка статического автоматического выключателя для каждой цепи в каждом доме просто нерентабельна. Это большая часть того, почему статические автоматические выключатели не используются в жилых домах. С другой стороны, искрение и его вредные последствия более серьезны при индуктивных нагрузках, которые составляют большинство промышленных нагрузок. Статические автоматические выключатели лучше всего подходят для промышленного применения, где инженеры ищут долгосрочные решения, не требующие обслуживания.

ECSTUFF4U для инженера-электронщика: Статический автоматический выключатель

Определение статического автоматического выключателя:

Статический автоматический выключатель в основном представляет собой схему на основе полупроводников. Этот автоматический выключатель способен обеспечить быстрый и надежный ток отключения.

Статический автоматический выключатель двух типов:

1. Статический автоматический выключатель переменного тока
2. Статический автоматический выключатель постоянного тока

Здесь эта статья дает информацию о двух автоматических выключателях, чтобы узнать больше о автоматических выключателях.

Статический автоматический выключатель переменного тока:

• На рисунке показано простое устройство статического автоматического выключателя переменного тока. Схема может включаться и выключаться с помощью двух тиристоров SCR 1 и SCR 2.
• Когда тиристор SCR 1 включен, альтернативный источник питания положительного цикла при включенном переключателе.
• Когда SCR 1 выключен, ток автоматически становится равным нулю.
• Когда SCR 2 включает отрицательный цикл альтернативного питания.
• SCR 1 получает импульс затвора через диод D2, а SCR 1 получает импульс затвора через диод D1.

 

Статический автоматический выключатель постоянного тока:

• Простая конструкция статического автоматического выключателя постоянного тока показана на рисунке ниже. Силовая коммутация необходима для отключения тиристорного устройства.
• Когда SCR1 включается, напряжение нагрузки становится равным напряжению питания, и конденсатор получает заряд через источник напряжения цепи Vs, резистор R, конденсатор C и SCR 1.
• При разрыве цепи включается SCR 2.
• SCR 2 включается, а SCR 1 выключается из-за обратного напряжения на нем.
• Конденсатор снова заряжает от +Vs до -Vs через цепь Vs, нагрузку C и SCR 2.
• Когда конденсатор C полностью заряжен до -Vs, ток через нагрузку будет равен нулю, и в то же время ток через R будет меньше тока удержания SCR 2.
• В это время тиристоры 2 выключаются естественным образом, по этому можно определить значение R.

Определение статического автоматического выключателя:

Статический автоматический выключатель в основном представляет собой полупроводниковую схему. Этот автоматический выключатель способен обеспечить быстрый и надежный ток отключения.

Статический автоматический выключатель двух типов:

1. Статический автоматический выключатель переменного тока
2. Статический автоматический выключатель постоянного тока

Здесь эта статья дает информацию о двух автоматических выключателях, чтобы узнать больше о автоматических выключателях.

Статический автоматический выключатель переменного тока:

• На рисунке показано простое устройство статического автоматического выключателя переменного тока. Схема может включаться и выключаться с помощью двух тиристоров SCR 1 и SCR 2.
• Когда тиристор SCR 1 включен, альтернативный источник питания положительного цикла при включенном переключателе.
• Когда SCR 1 выключен, ток автоматически становится равным нулю.
• Когда SCR 2 включает отрицательный цикл альтернативного питания.
• SCR 1 получает импульс затвора через диод D2, а SCR 1 получает импульс затвора через диод D1.

 

Статический автоматический выключатель постоянного тока:

• Простая конструкция статического автоматического выключателя постоянного тока показана на рисунке ниже.