Бесконтактные коммутационные электрические аппараты

Полупроводниковые приборы осуществляют бесконтактную коммутацию тока в нагрузке. Достоинства бесконтактной коммутации:

1. Большой ресурс и количество переключений. Количество переключений полупроводниковых коммутаторов практически неограниченно. Долговечность полупроводников определяется перепадами рабочих температур: количеством циклов и их амплитудой.

2. Высокая частота коммутаций. Полупроводниковые коммутаторы допускают коммутацию нагрузки на каждом полупериоде сетевого напряжения. В специальных схемотехнических решениях, в которых применяется принудительное закрытие элементов, частота коммутации может быть еще выше.

3. Отсутствие искрообразования.

4. Электромагнитные помехи. Для того, чтобы не создавать электромагнитные помехи, возникающие при коммутации сильных токов (проводники с быстро меняющимся током работают как обычные антенны), желательно коммутацию производить в моменты времени, когда эти токи минимальны (в идеале равны нулю). Полупроводниковые коммутаторы, благодаря возможности управления моментом переключения, позволяют применять решения, в которых коммутация производится в моменты нулевого тока в сети.

Недостатки по сравнению с контактными коммутирующими устройствами:

1. Больше потери на коммутирующем элементе. Падение напряжения на открытом симисторе составляет 1-2 В и мало зависит от протекающего тока. Как следствие, на открытом симисторе выделяется относительно большая мощность. Например, при токе 40 А на симисторе выделяется 40-80 Вт тепла, которые необходимо отвести. Для этого применяются радиаторы. Это обстоятельство является самым серьёзным недостатком бесконтактных коммутаторов, так как требует дополнительное место для радиатора и удорожает решение.

2. Большая стоимость.

3. Бесконтактные электрические аппараты не создают видимого разрыва электрической цепи, что важно с точки зрения техники безопасности.

4. Чувствительность к перенапряжениям и сверхтокам.

6.2.1 Тиристорные контакторы и пускатели

Для пуска контактора необходимо включить в сеть катушку КМ. Через контакты этого реле на резисторы R1, R2 и диоды VD1 и VD2 будут поданы сигналы в цепи управления тиристоров VS1 и VS2. При положительной полуволне синусоидального напряжения (плюс на клемме 2) на анод тиристора VS1 будет подан положительный потенциал, а на анод тиристора VS2 – отрицательный потенциал. При этом откроется тиристор VS1 и в нагрузке Zнагр появится ток положительной полуволны (тиристор VS2 остается закрытым). Затем последует отрицательная полуволна переменного напряжения (плюс на клемме 1 и минус на клемме 2), при которой закроется тиристор VS1 и откроется тиристор VS2, через который пройдет ток нагрузки отрицательной полуволны. Для того, чтобы отключить нагрузку Zнагр, следует выключить катушку реле КМ, при этом прекратится подача сигналов на управляющие электроды тиристоров и они окажутся запертыми.

Пускатель трехполюсного исполнения в схеме имеет шесть тиристоров VS1, …, VS6, включенных по два тиристора на каждый полюс. Включение пускателя осуществляется посредством кнопок управления SB1 «Пуск» и SB2 «Стоп».

Схема тиристорного пускателя предусматривает защиту электродвигателя от перегрузки, для этого в силовую часть схемы установлены трансформаторы тока ТА1 и ТА2, вторичные обмотки которых включены в блок управления тиристорами.

6.2.2 Твердотельные реле

Твердотельное реле – это бесконтактные электрические аппараты, содержащие в своем составе мощные силовые ключи на симисторных, тиристорных либо транзисторных структурах. Они с успехом используются для замены традиционных электромагнитных реле.

Благодаря наличию оптрона твердотельные реле обеспечивают надежную гальваническую изоляцию входных и выходных электрических цепей друг от друга, а также токоведущих цепей от элементов конструкции прибора, поэтому применение дополнительных мер изоляции цепей не требуется.

Классификация твердотельных реле:

1. По роду тока:

· постоянного тока (коммутируют цепи постоянного тока);

· переменного однофазного тока (коммутируют цепи переменного тока);

· переменного трехфазного тока.

2. По наличию контроля перехода через ноль:

· при подаче управляющего сигнала на твердотельное реле с контролем перехода через ноль, напряжение на его выходе появляется в момент первого пересечения линейным напряжением нулевого уровня. Это позволяет уменьшить начальный бросок тока, снизить уровень создаваемых электромагнитных помех и, как следствие, увеличить срок службы коммутируемых нагрузок. Однако ТТР с контроем перехода через ноль не могут коммутировать высокоиндуктивную нагрузку, когда cos φ<0,5;

· напряжение на выходе твердотельного реле мгновенного включения появляется одновременно с подачей управляющего сигнала (время задержки включения не более 1 миллисекунды), а значит включение ТТР возможно на любом участке синусоидального напряжения. Однако у ТТР данного типа могут возникать импульсные помехи и начальные броски тока при коммутации.

3. По наличию фазового управления.

Твердотельные реле с фазовым управлением позволяют изменять величину выходного напряжения на нагрузке и применяются для следующих задач:

- регулирование мощности нагревательных элементов;

- регулировать уровень освещенности у лампы накаливания;

- и т.д.

При длительной работе твердотельного реле в номинальных, и особенно, «тяжелых» режимах (при длительной коммутации при токах нагрузки свыше 5 А) требуется применение радиаторов или воздушного охлаждения для рассеивания тепла. При повышенных нагрузках, например, в случае нагрузки индуктивного характера (соленоиды, электромагниты и т.п.), рекомендуется выбирать твердотельное реле с большим запасом по току (в 2-4 раза), а в случае применения твердотельных реле для управления асинхронным электродвигателем необходим 6-10 кратный запас по току. Также при выборе твердотельного реле необходимо учитывать пусковой ток нагрузки.

Для повышения устойчивости твердотельного реле к импульсным помехам параллельно коммутирующим контактам в ТТР имеется цепь, состоящая из последовательно включенных резистора и емкости (RC-цепочка).

Для более полной защиты от источника перегрузки по напряжению со стороны нагрузки необходимо включить защитные варисторы параллельно каждой фазе твердотельного реле. Напряжение варистора должно быть в 1,6 – 1,9 раз больше рабочего напряжения.

При отсутствии управляющего напряжения в цепи нагрузки существует ток утечки, обусловленный наличием встроенной параллельно цепи нагрузки RC-цепочки, через которую при подведенном к ТТР напряжении всегда протекает ток, даже когда коммутационный элемент твердотельного реле находится в «выключенном состоянии».

Гибридные реле

Гибридное реле – это комбинация геркона, магнитных цепей и полупроводниковых элементов. На основе этой комбинации можно создать различные устройства релейной защиты, в том числе и реле с зависимой от тока характеристикой срабатывания, реле мощности и т.д.

Современные герконы, хотя и являются электромеханическими элементами, по своей надежности и количеству коммутационных циклов приближаются к полупроводниковым элементам, а по ряду показателей, таких как: устойчивость к помехам, импульсным перенапряжениям, значительно превосходят последние.

Герконам свойственны такие качества, которых нет у электромеханических реле, как: высокое быстродействие, четкий и стабильный параметры срабатывания и отпускания, высокий коэффициент возврата. Но при использовании герконов следует всегда принимать во внимание, что их высокая надежность гарантируется только при соблюдении ограничений коммутационной способности, оговоренных в технической документации. Герконы быстро выходят из строя даже при кратковременном превышении разрешенных параметров коммутации.

Гибридные реле отличаются простотой и низкой стоимостью.

Рассмотрим некоторые комбинации герконов, магнитных цепей и полупроводниковых элементов.

Геркон с двумя катушками управления может послужить основой для создания реле дифференциальной защиты, логических элементов, порогового суммирующего элемента и т.д.

Геркон со специальной магнитной цепью оказывается не чувствительным к апериодической составляющей тока в катушке. Этот принцип позволяет создать реле не чувствительное к броскам тока намагничивания, возникающим, например, при включении трансформатора.

Геркон, включенный по следующей схеме реагирует на определенную величину несимметрии напряжений.

Следующая схема срабатывает только при быстром изменении тока или напряжения во входной цепи, характерном для аварийных режимов и не реагирует на медленные изменения тока, связанные с изменением нагрузки.