В процессе различных переключений с использованием электромагнитных пускателей, реле, контакторов и другой аппаратуры, в коммутирующем органе изменяется электрическое сопротивление. В данных приборах эту функцию выполняет промежуток между контактами. В замкнутом состоянии сопротивление становится очень маленьким, а по мере размыкания контактов оно начинает возрастать.
Такие изменения происходят очень быстро, в скачкообразном порядке и сопровождаются разрывом цепи. В некоторых случаях требуется избежать такого разрыва, поэтому в таких цепях для коммутации используются бесконтактные приборы. Типичным представителем этой группы является тиристорный контактор, в состав которого входят тиристоры, имеющие нелинейное электрическое сопротивление, способное изменяться в сторону увеличения или уменьшения.
Принцип действия тиристорного контактора
Действие тиристорного контактора основано на бесконтактной коммутации. Данное физическое явление заключается в изменяющейся проводимости полупроводников, подключаемых в цепь вместе с нагрузкой. Во время работы не наблюдается видимых разрывов цепи, а сам процесс выглядит следующим образом: когда цепь выключена – проводимость полупроводника резко снижается, а сопротивление может достигать нескольких десятков МОм. После включения проводимость элемента восстанавливается, а сопротивление стремится к нулю и измеряется уже в миллиОмах (мОм).
Полупроводниковыми приборами служат различные виды симисторов, тиристоров и транзисторов, включаемых последовательно с нагрузкой в электрическую цепь. Их действие основано на явлении электронно-дырочного перехода (р-п), обеспечивающего одностороннюю проводимость от анода (р) к катоду (п).
На этих же принципах осуществляется работа тиристорного контактора или переключателя переменного тока. Наиболее часто используются схемы со встречно-параллельным включением тиристоров VS1 и VS2, отмеченных на рисунке. Вырабатывание импульсов производится блоком управления при переходе напряжения через нулевую отметку. Под действием импульсов тиристоры открываются поочередно, за счет их сдвига между собой на 180 градусов. В результате, в цепи начинается движение синусоидального переменного тока. Когда мгновенное значение тока нагрузки снижается, тиристоры выключаются.
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. 9.1.9. 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.9.1.9) являются основой однофазных и трехфазных контакторов. На рис. 9.1.10 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. 9.1.9. Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента
На рис. 9.1.11 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS
включается цепь нагрузки
R
н, (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
ис
указана на рис. 9.1.11,
а
. Схема готова к отключению, и если в момент
t
1подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор
VSB,
то конденсатор С окажется включен ым
Рис. 9.1.10. Схема нереверсивного пускателя
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
ис
изменится в процессе перезаряда от —
U
до
+U
(рис. 9.1.11,
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.
Таким образом, отключение тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Эта проблема решится окончательно лишь после
Рис. 9.1.11. Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а
) и диаграмма его работы (
б
)
Рис. 9.1.12. Схема бесконтактного выключателя Рис. 9.1.13. Осциллограмма отключения тока короткого замыкания
создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления.
Выключатели автоматические.На базе тиристорных элементов (см. рис. 9.1.9) 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.
9.1.12). 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. 9.1.13 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. 9.1.9 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. 9.1.14 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.
Тиристорные контакторы постоянного тока
Контакторы постоянного тока имеют ряд индивидуальных особенностей и характеристик. Одной из них является возможность работы с гораздо более высокими частотами переключения, во время регулировок и преобразований тока и напряжения. Этим они заметно отличаются от тиристорных регуляторов, осуществляющих стабилизацию в цепях с переменным током. Устройства постоянного тока обеспечивают более высокий уровень быстродействия, и данный фактор в значительной степени определяет сферу их использования.
Преимущества и недостатки
Несомненные плюсы тиристорных контакторов в сравнении с обычными устройствами заключаются в следующем:
- При регулярных включениях и отключениях отсутствует электрическая дуга, вызывающая разрушение контактов у электромагнитных устройств.
- Небольшой промежуток срабатывания дает возможность выполнять учащенные коммутации, практически без ограничений. Рабочие режимы могут быть не только длительными, но и повторно-кратковременными.
- Отсутствуют движущиеся части, подверженные механическому износу. Поэтому срок эксплуатации тиристорных контакторов намного выше, чем у обычных устройств.
- Бесшумная работа, благодаря особенностям конструкции.
- Очень простой ремонт и обслуживание. Любую деталь контактора можно легко заменить в течение короткого времени без демонтажа основного устройства.
- В случае необходимости тиристорный контактор легко переделывается под другой номинал тока. Для этого устанавливается подходящий тиристор с соответствующими техническими характеристиками.
Изучение тиристорного пускателя серии ПТ
Цель работы –изучить конструкцию, назначение, принцип действия и ввод в эксплуатацию тиристорных пускателей серии ПТ.
Программа работы
1. Изучить назначение, общее устройство и принцип действия тиристорного пускателя типа ПТ.
2. Опробовать работу тиристорного пускателя под напряжением.
3. Проверить действие блока защиты тиристорного пускателя.
3.1. по температуре перегрева тиристоров ПТ;
3.2. от тока короткого замыкания;
3.3. от несимметрии напряжения.
Назначение
Пускатели типа ПТ-16-380-У5, ПТ-40-380-У5 предназначены для дистанционного включения и отключения, а реверсивные пускатели типа ПТ-16-380Р-У5 для дистанционного включения реверса и отключения трёхфазных электродвигателей. Нереверсивные пускатели могут использоваться для включения и отключения других видов трёхфазных активных нагрузок. Пускатели предназначены для использования в условиях умеренного климата на подвижных объектах и в стационарных условиях: в шахтах, рудниках, а так же нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности при условии установки их в защитные оболочки, соответствующие условиям эксплуатации и при наличии в схеме электроснабжения индивидуального или группового аппарата с видимым разрывом цепи.
Каждый тип пускателя имеет два исполнения:
Исполнение 1 – для взрывоопасных помещений;
Исполнение 2 – для общепромышленного применения.
Условия эксплуатации
а) климатические воздействия:
1. температура окружающего воздуха от минус 10 до 50ºС;
2. верхнее значение относительной влажности окружающего воздуха 95 ± 3%, при температуре 35ºС и более низких температурах без конденсации влаги;
3. давление воздуха в пределах 700 – 1000 мм.рт.ст.
б) механические воздействия:
1. вибрации в диапазоне частот от 1 до 60 Гц с ускорением до 2g;
2. ударные перегрузки с ускорением до 15g;
3. длительные наклоны в любую сторону до 45º.
Пускатели не допускают работу в агрессивных средах, содержащих пары кислот и щелочей в концентрации разрушающей металл и изоляцию, а так же в средах с токопроводящей пылью.
Технические характеристики
Пускатели предназначены для работы в следующих режимах:
а) продолжительном, с числом включений в час не более 10.
б) повторно – кратковременном, с продолжительностью включения не более 60%, при частоте до 600 включений в час с номинальными токами нагрузки.
Основные технические данные пускателей ПТ-16 (40):
Напряжение в сети – 380 В;
Число фаз – 3;
Частота питающей сети – 50 Гц;
Номинальный ток – 16 А (40 А);
Сопротивление электрической изоляции – 50 МОм в холодном состоянии, – 6 МОм в нагретом состоянии.
Средний ресурс не менее 10000 час.
Пускатели имеют максимальную токовую защиту и тепловую защиту от перегрузок. Время срабатывания тепловой защиты от перегрузок является функцией тока перегрузки и температуры окружающей среды.
Пускатели поставляются с защитой настроенной так, что бы максимальная токовая защита срабатывала при 9 – 10 кратном номинальном токе, а тепловая защита от перегрузок срабатывала при температуре на корпусе тиристора не выше 105ºС.
Управление пускателями кнопочное с фиксацией и без фиксации команды. Возможно управление от бесконтактных логических элементов.
Устройство и принцип работы.
Конструктивно пускатель выполнен в виде единого блока. Тиристоры установлены на охладители. На нижнем правом охладителе закреплён термодатчик. В нижней части пускателя размещён блок управления, который прикреплён к несущим уголкам винтами и может откидываться для доступа к элементам расположенным с обратнойстороны блока. Реле в пускателях 1 исполнения размещены в контейнерах для защиты контактов реле от механических повреждений и пыли. Ввод монтажных проводов в контейнер выполнен через сальник с резиновым уплотнением.
Пускатели исполнения 2 отличаются от пускателей исполнения 1 только материалом изоляционных панелей.
Изоляция, расстояние утечки и зазоры пускателей исполнения 1 соответствуют правилам изготовления взрывозащищённого и рудничного оборудования ОАА 684 053–67.
Принципиальные электрические схемы пускателей унифицированы и отличаются между собой только количеством элементов и типом силовых тиристоров. Схема пускателя состоит из силовой схемы, схемы управления, схемы защиты и источника питания. Силовая часть состоит из тиристоров, включенных в каждую фазу встречно – параллельно.
Принцип работы пускателей заключается в бесконтактном включении и отключении нагрузки, что осуществляется силовыми тиристорами. Управление силовыми тиристорами осуществляется широтно-импульсным методом. Импульсы управления тиристорами формируются из анодного напряжения тиристоров. Работу пускателя рассмотрим на примере одной фазы нереверсивного пускателя.
В исходном состоянии все тиристоры закрыты и находятся под фазным напряжением. После замыкания контактов реле KL1 допустим, что положительная полуволна напряжения сети тиристора VS1 через управляющий переход тиристора VS2, контакт реле KL1, резистор R14 и управляющий переход тиристора VS1 будет протекать ток управления IУ1. Тиристор VS1 откроется. С открытием тиристора автоматически снимается сигнал управления, так как падение напряжения на открытом тиристоре не превышает 1В. При переходе тока через нуль тиристор VS1 закрывается. Теперь положительная полуволна напряжения сети будет приложена к аноду тиристора VS2. Ток управления будет протекать от анода к катоду тиристора VS2 через управляющий переход тиристора VS1, резистор R14, контакт реле KL1 и управляющий электрод тиристора VS2. Тиристор VS2 откроется и с него автоматически снимается сигнал управления. Импульсы управления поступают на тиристоры синхронно с напряжением сети. В начале каждого положительного полупериода, т.е. через 360 эл. град. Длительность импульсов управления зависит от времени открытия тиристоров и автоматически устанавливается оптимальной в зависимости от изменения коэффициента мощности нагрузки. Аналогично формируются импульсы управления тиристорами и в других фазах. При таком способе формирования импульсов управления контакты включённых реле практически находятся в обесточенном состоянии, так как через них проходит слаботочный сигнал, длительностью от десятков микросекунд до единиц миллисекунд в течении каждого полупериода тока. Поэтому срок службы реле определяется не электрической, а механической износоустойчивостью, которая у электромагнитных реле достигает десятков миллионов циклов.
Работает пускатель следующим образом. При подаче напряжения сети на клеммы пускателя Л1, Л2, Л3 получает питание трансформатор TV. (смотри принципиальную электрическую схему).
Выпрямленное напряжение с выпрямителей на диодах VD5 – VD6 подаётся на элементы схемы защиты. На элементы схемы управления напряжение с выпрямителей поступает только при нажатии кнопки «Включено».
При замыкании кнопки «Включено» включается соответственно реле KL1 или KL2. После включения реле, замыкаются его нормально открытые контакты в цепях управления тиристоров. Тиристоры открываются и напряжение сети прикладывается к нагрузке.
При освобождении кнопки «Включено» (при работе пускателя без фиксации команды) или размыкании кнопки отключено (при работе с фиксацией команды) реле отключается, снимаются импульсы управления с тиристоров и нагрузка отключается.
Блок защиты предназначен для отключения пускателя в аварийных режимах и удержания его в отключенном состоянии до осмотра нагрузки и устранения неисправности. Резистор R6 служит для регулирования порога срабатывания тепловой защиты от перегрузки.
Рассмотрим подробно работу блока защиты от различных аварийных режимов.
Перегрузка по току
Нажатием на кнопку «Пуск вперёд» («Пуск назад») подаётся отрицательный потенциал от источника питания (12) на один конец (26) катушки KL1 ((27) катушки KL2), а на другой конец (23) подан положительный потенциал через открытый коллекторный переход транзистора VТ3. Реле срабатывает и замыкает свои контакты в цепях управления трёх тиристорных пар соответствующих фаз. Транзистор VT3 находится в открытом состоянии при нормальном режиме работы тиристорного пускателя, так как на базу подано отрицательное отпирающее напряжение от источника питания (12) через балластный резистор R11 и резистор смещения R12.
При симметричной трёхфазной нагрузке и отсутствии асимметрии питающего напряжения токи в линейных проводах Л1, Л2 и Л3 одинаковые и сдвинуты по фазе на 120о. Вторичные обмотки трансформаторов тока ТТ1 и ТТ2 включены по схеме геометрической разности и результирующий ток, равный линейному току любой фазыпротекает по резистору R13, создавая на нём падение напряжения. Это напряжение после выпрямления диодным мостом VD14 – VD17 подаётся на потенциометр R5. С его подвижного контакта часть отрицательного потенциала подаётся на анод VD8, при этом его величина меньше напряжения пробоя стабилитрона, поэтому на базе VТ1 действует положительное напряжение и транзистор закрыт. При увеличении линейного тока в нагрузке более чем на 20% номинального значения напряжение на R5 так же возрастёт, что приведёт к пробою VD8 и подаче через диод VD7 на базу VT1 отпирающего потенциала. Транзистор открывается до насыщения и положительный потенциал с его коллектора через диод VD1 подаётся на базу VT3 и запирает транзистор. Катушка включённого реле KL1 (KL2) теряет питание и размыкает свои контакты в цепях управления тиристоров, что приводит к их выключению.
Конденсатор С3, шунтирующий потенциометр R5, не позволяет кратковременным броскам тока в линейных проводах, даже при запуске двигателя, включить токовую защиту.
При несимметричном режиме работы один из фазных токов может не измениться, например IА, в другой фазе даже уменьшиться (IС), а в третьей возрасти (IВ), как показано на рисунок 24б. В любом случае геометрическая разность токов IА – IС возрастёт и при асимметрии более 20% сработает защита, как описано выше.
а б
Рисунок 24 –Векторные диаграммы фазных токов в:
а) симметричном, б) несимметричном режимах работы нагрузки
Перегрев двигателя
Для осуществления этого вида защиты на корпус двигателя (обычно внутри клемной коробки) приклеивают термодатчик RД, который подключён к клеммам 2, 3 тиристорного пускателя, и его сопротивление увеличивается с повышением температуры статора.
Второй термодатчик R8 закреплён на одном из радиаторов тиристора. Тиристоры в схеме выбраны с шести кратным запасом по току, поэтому при номинальных токах пускателя радиаторы всегда будут иметь температуру окружающей среды. Это означает, что осуществляется защита не от перегрева обмотки статора, а от превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды. Величина этого превышения задаётся резистором R6.
В исходном состоянии транзисторы VТ1 и VТ2 закрыты. Увеличение сигнала с резисторов R6 или R7 до величины опорных напряжений стабилитронов VD4 и VD8 приводит к отпиранию транзисторов VТ2, а затеми VТ1, в результате чего переход эмитер – база транзистора VТ3 шунтируется транзистором VТ1 через диод VD1.
Транзистор VТ3 запирается, что приводит к отключению реле KL1 или KL2.
Так как транзистор VT2 остаётся при этом открытым по цепи точка 2(+) блока защиты, переход эмитер – коллектор транзистора VT1, резистор R2, переход база – эмитер транзистора VТ2, стабилитрон VD4, точка 4 (-) блока защиты, то транзистор Т3 остаётся заперт до возвращения схемы в исходное состояние, для чего необходимо отключить напряжение сети на входе пускателя.
Рисунок 25 — Принципиальная схема тиристорного пускателя ПТ-16
