 |
8.2 Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока
|
|
|
|
8. 2 Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока
В сетях постоянного тока в качестве коммутирующего прибора предпочтительное применение находят полностью управляемые приборы - транзисторы. Это объясняется тем, что другие приборы - тиристоры для отключения постоянного тока требуют использования специальной, довольно сложной схемы искусственной коммутации и поэтому находят ограниченное применение.
Транзисторные коммутаторы-ключи должны совмещать функции ограничения максимальных токов нагрузки и защиты сети от короткого замыкания. Для реализации этих функций в составе коммутатора необходимо иметь устройство, обеспечивающее ограничение тока на заданном уровне и отключающее его полностью при затяжном характере перегрузки.
Рис. 8. 1 Функциональная схема выключателя защиты сетей
Все указанные операции по управлению силовым ключом-транзистором осуществляются в практических схемах с помощью вычислительного устройства, собранного для уменьшения габаритов, массы и потребления мощности на микросхемах. На рис. 8. 1 представлена функциональная схема бесконтактного выключателя защиты сети постоянного тока, рассчитанного на ток 30А при напряжении 27 В. Выключатель имеет КПД 96 - 98%, объем 120см3, массу 250г и отключает сеть при максимальном токе 80 А за 3мкс.
На схеме И - источник питания, Н - нагрузка сети, VT - транзистор, включающий и отключающий нагрузку. Управление транзистором производится от усилителя У, который, в свою очередь, управляется блоком логики Л, получающим информацию о токе нагрузки в виде падения напряжения на резисторе Rт. Цепи управления питаются от вторичного источника питания ВИП. Диод VD1 служит для пропуска обратного тока, так как транзистор VT имеет одностороннюю проводимость, а стабилитрон VD2 защищает транзистор от перенапряжений.
|
|
|
В нормальном режиме работы силовой транзистор-ключ находится в насыщенном состоянии с малым коллекторным падением напряжения и поэтому с малыми потерями. При увеличении тока до предельного значения, называемого током отключения транзистор переводится системой управления в широтно-импульсный режим стабилизации тока на уровне тока отключения. Этот режим система управления может поддерживать в течение определенного заданного интервала времени. Если за это время ток уменьшится до нормального значения, то отключение нагрузки не произойдет. Такой режим может быть при кратковременных бросках тока нагрузки, например при пуске двигателя. Величина интервала выбирается в соответствии с предполагаемой длительностью броска тока. Если же ток не спадает, например, вследствие короткого замыкания, то по истечении времени интервала происходит отключение нагрузки путем запирания транзистора. Для обеспечения автоматического повторного включения схема управления производит периодические контрольные включения с довольно большим интервалом
8. 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. 8. 2. 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.
|
|
|
Рис. 8. 2 Схема однофазного тиристорного коммутирующего
элемента
Контакторы (пускатели). Тиристорные элементы (рис. 8. 2) являются основой однофазных и трехфазных контакторов.
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 называемую 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 выключают его.
На рис. 8. 3 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS включается цепь нагрузки Rн (ток через тиристор iТ равен сумме токов нагрузки iН и через конденсатор iС), а коммутирующий конденсатор С заряжается до напряжения источника U. Полярность напряжения Uc указана на рис. 8. 3, а). Схема готова к отключению, и если в момент t1 подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор VSВ, то конденсатор С окажется включенным 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 UC изменится в процессе перезаряда от – U до + U (рис. 8. 3, б), а ток iC 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. 8. 3 Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а) и диаграмма его работы (б).
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.
Выключатели автоматические. На базе тиристорных элементов (рис. 8. 2) выполняются автоматические бесконтактные выключатели серии ВА81 на токи до 1000 А. Они предназначены для защиты электрических установок в сетях напряжением 380/660В переменного тока частотой 50¸ 60Гц 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. 8. 4). 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.
Рис. 8. 4 Схема бесконтактного выключателя
Благодаря использованию принудительной коммутации тиристоров защита от коротких замыканий осуществляется с ограничением тока в процессе отключения.
Рис. 8. 5 Осциллограмма отключения тока короткого замыкания
На рис. 8. 5 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 imax составляет не более 0, 02…0, 05 ударного тока короткого замыкания.
|
|
|
Устройства выходные (промежуточные реле). Схемы на рис. 8. 2 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. 8. 6 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 гальваническуюразвязку входной и выходной цепей.
Рис. 8. 6 Усилитель УВБ-11-19-3721: а) условное обозначение; б) функциональная схема
Выключение симистора 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.
|
|
|
