Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем)
Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.
Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.
Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.
Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.
Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора [EW 4/01-299].
Схема однокнопочного управления тиристором
На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.
Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.
Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.
Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.
Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.
Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.
Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.
Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.
Простые силовые ключи на тиристорах
На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.
Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.
Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5…3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.
Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.
Тиристорный коммутатор с двумя кнопками
Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.
При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.
Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.
После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.
Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.
Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.
Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах
При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).
Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.
Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах
Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим.
Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.
В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.
В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.
Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.
Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.
Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров
Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.
Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.
В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.
Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.
Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 — 9, а также на рис. 10 — 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.
Недостатком схемных решений (рис. 7 — 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.
Схемы многопозиционных переключателей
На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.
При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.
Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.
Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.
Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.
Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.
При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.
Схема усовершенствованного электронного переключателя
Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.
В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.
Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.
Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.
Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10… 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.
Твердотельные реле, тиристорные контакторы
А.И. Гардин, А.А. Петров
Твердотельные реле, тиристорные контакторы
Методические указания к лабораторной работе по курсу Электрические и электронные аппараты
Рекомендовано Ученым советом Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева
в качестве учебно-практического пособия для студентов всех форм обучения по специальности 140211 «Электроснабжение» и «Электрические сети»
Нижний Новгород 2012
УДК
Гардин А. И., Петров А.А. Твердотельные реле, тиристорные контакторы. Учебно-методические материалы / А.И. Гардин, А.А. Петров; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2012. – с.
Редактор
Компьютерная верстка Крюков Е.В., Четвергов А.А., Веремко В.Э.
Подписано в печать 11.10.2010. Формат 60х84 1/16.
Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,3.
Уч. – изд. л. 5,0. Тираж 300 экз. Заказ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ. 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.
| © | Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2012 |
| © | Гардин А. И.,Петров А.А.2012 |
СОДЕРЖАНИЕ
| Цель работы | |
| Твердотельные реле | |
| 2.1 | Общие понятия |
| 2.2 | Области применения |
| Тиристорные контакторы | |
| Тиристорные управляемые пускатели (тиристорные источники питания) | |
| Описание лабораторной установки | |
| Задание по исследованию работы тиристорного контактора | |
| Содержание отчета | |
| Контрольные вопросы | |
| Приложение 1.Конструкция, принцип действия и основные параметры тиристоров | |
| Приложение 2.Конструкция и основные параметры твердотельных реле |
Цель работы
Изучить:
а) принцип действия твердотельных реле и тиристорных контакторов;
б) основные характеристики диодов, тиристоров, симисторов;
в) основные характеристики твердотельных реле
г) принцип работы схемы импульсно-фазового регулирования напряжения на нагрузке.
Твердотельные реле
2.1. Общие понятия
Твердотельное реле
– это устройство полупроводникового типа, используемое для
бесконтактной коммутации
силовых цепей разнообразных устройств, в основном, нагревательных элементов, маломощных двигателей, осветительных приборов.
Бесконтактная коммутация
– коммутация электрической цепи за счет изменения проводимости полупроводниковых элементов, включенных в эту цепь последовательно с нагрузкой. При этом электрическая цепь физически не имеет видимого разрыва. Например, при выключении цепи проводимость полупроводникового прибора становится очень малой, т.е. его сопротивление увеличивается до десятков мегаОм (МОм). При включении цепи сопротивление полупроводникового прибора снижается до значения близкого к нулю — несколько миллиОм (мОм).
В качестве полупроводниковых приборов, включаемых в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, используются транзисторы, тиристоры, симисторы. Основой полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p−n
переход), главное свойство которого − односторонняя проводимость от области p (анод) к области n (катод). Эту идею наглядно передают условно-графическое обозначение УГО полупроводниковых приборов (рис.1, 2). Диоды и тиристоры изображаются в виде равностороннего треугольника, который вместе с пересекающей его линией электрической связи образует подобие стрелки, которая указывает направление проводимости.
| Рис. 1. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VD ) изображение диода на электрических схемах |
| А |
Наружная p−область и вывод от нее называется анодом (на рисунках — основание треугольника); наружная n−область и вывод от нее называется катодом (на рисунках — короткая черточка, перпендикулярная стрелке); внутренние p
и
n
−области называются базовыми. Если на анод подать «+», а на катод «−», переходы у диода открываются, и по диоду через
p-n
переход будет протекать ток прямой проводимости. При обратной проводимости катод будет заперт. Поэтому при включении диода последовательно с нагрузкой к источнику переменного синусоидального напряжения, к нагрузке будет приложена только положительная полуволна напряжения. Под действием этого напряжения (согласно закону Ома) по нагрузке будет протекать только положительная полуволна тока.
Тиристор имеет отвод от одной из базовых областей, который называется управляющий электрод (УЭ). Управление может осуществляться как по аноду, так и по катоду. У тиристора для его открытия необходимо одновременное выполнение двух условий: 1) на анод следует подать «+», а на катод «−» или для переменного тока достаточно, чтобы потенциал анода был выше потенциала катода, 2) необходимо подать на управляющий электрод импульс напряжения относительно катода или анода определенной полярности, величины и длительности, чтобы под его воздействием по управляющему электроду начал протекать ток (согласно закону Ома), достаточный для открытия тиристора по направлению анод-катод. Нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора), тиристор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Закрытие диода и тиристора обеспечивается снижением тока прямой проводимости ниже тока удержания. В схемах переменного тока это осуществляется автоматически каждую половину периода, так как напряжение, под действием которого протекает ток, периодически возрастает и снижается до нуля по синусоидальному закону.
| Рис. 2. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VS ) изображение тиристора на электрических схемах: а) с управлением по аноду; б) с управлением по катоду; |
Важно помнить, что каждую половину периода происходит реальное выключение нагрузки вблизи моментов времени, когда ток, проходящий через основные электроды, приближается к току удержания (к нулю). Для активной нагрузки это происходит, когда напряжение на основных электродах тиристора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). И чтобы открыть («включить») тиристор, следует вновь подать импульс напряжения на управляющий электрод и обеспечить протекание достаточного управляющего тока через управляющий p-n
переход. Поэтому управляющие импульсы напряжения должны периодически подаваться на управляющий электрод тиристора с частотой напряжения в сети.
Еще одной важной особенностью диодов и тиристоров является то, что во включенном (проводящем) положении на нем возникает падение напряжения (согласно закону Ома для участка цепи) порядка 1-2В, что говорит о наличии определенного сопротивления p-n
структуры. Поэтому при протекании тока нагрузки полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, симисторы, транзисторы) будут нагреваться в соответствие с законом Джоуля-Ленца и требуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов).
У контактных выключателей (например, у электромагнитного контактора) падение напряжения на контактах во включенном положении составляет менее 1В и значительного их нагрева не происходит, однако, они нагреваются в моменты коммутации (включения-отключения) за счет возникающего на контактах дугового разряда (дуги). У диодов, тиристоров, симисторов на переменном токе коммутация всегда происходит в момент прохождения тока через нуль, поэтому дуга не возникает и нагрева полупроводниковых структур в моменты коммутаций не происходит. Поэтому коммутационные аппараты на основе полупроводниковых приборов особенно эффективны при частых включениях и отключениях нагрузки, а также для коммутации больших значений тока. Более подробные технические характеристики тиристоров приведены в Приложении 1.
Для создания твердотельного реле переменного тока необходимо два тиристора, собранных по встречно-параллельной схеме и включенных с нагрузкой последовательно (рис.3).
При положительной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS
1 и возникает ток, протекающий через нагрузку — лампу накаливания. Ток лампы будет совпадать по фазе с напряжением, так как она обладает активным сопротивлением.
При отрицательной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS
2 и возникает ток, который также будет совпадать по фазе с напряжением. Ток, протекающий по лампе, под действием синусоидального напряжения также будет «синусоидальным». Полностью синусоидальным его назвать нельзя, так как в кривой тока будет наблюдаться незначительный разрыв в момент перехода от положительной полуволны напряжения к отрицательной и наоборот, см. рис. П1.4
а)
).
При активно-индуктивном характере нагрузки ток будет отставать по фазе от напряжения тем больше, чем больше величина индуктивного сопротивления по отношению к активному сопротивлению.
Симистор
− полупроводниковый прибор, является разновидностью тиристора и используется для коммутации в цепях переменного тока. Основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу его структуры они являются и тем и другим одновременно.
| Рис. 3. Твердотельное реле переменного тока на двух тиристорах |
| Рис. 4. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VS ) изображение симистора на электрических схемах |
Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость у симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами возникает проводимость, нагрузка оказывается подключенной к источнику (сети). Симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Для его удержания в открытом состоянии также нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Выключение активной нагрузки происходит вблизи моментов времени, когда напряжение на основных электродах симистора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). При включенном положениина симисторе остаетсяминимальное напряжение UОСТ
, поэтому он нагревается согласно закону Джоуля –Ленца и требуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов).
| Рис. 5. Вольт-амперная характеристика симистора |
Поэтому при включении симистора последовательно с нагрузкой к источнику переменного синусоидального напряжения и подаче напряжения на управляющий электрод, к нагрузке будут приложены обе полуволны напряжения. Под действием этого напряжения (согласно закону Ома) по нагрузке будет протекать «синусоидальный ток». Полностью синусоидальным его назвать нельзя, так как в кривой тока будет наблюдаться незначительный разрыв в момент перехода от положительной полуволны напряжения к отрицательной и наоборот, см. рис. П1.4 а)
).
Используя тиристоры и симисторы возможно выполнить устройства (преобразователи, устройства плавного пуска, регуляторы и стабилизаторы напряжения и др.), позволяющие регулировать напряжение на нагрузке. Для этого необходимо лишь подавать управляющие импульсы напряжения с некоторым запаздыванием относительно питающего напряжения на угол управления α. Чем больше величина этого угла, тем позднее откроется тиристор (симистор) и меньшая величина действующего (среднеквадратичного) напряжения поступит на нагрузку и пройдет меньший ток (согласно закону Ома). Таким образом, существует возможность плавно изменять напряжение, приложенное к нагрузке, от величины напряжения сети (при подаче полной синусоиды напряжения сети) до значения достаточного для протекания тока удержания и до нуля (при полном закрытии тиристоров). Поэтому и ток, протекающий через нагрузку будет изменяться от номинального значения (при номинальном напряжении в точке подключения нагрузки) до нуля. Лампа накаливания при этом будет изменять величину светового потока. Для активно-индуктивной нагрузки начальная величина угла α должна быть больше величины угла сдвига фаз тока и напряжения – φ (см. рис. П1.4 б)
.
2.2. Области применения твердотельныхреле
В самых различных областях техники происходит активная замена «традиционных» электромагнитных реле на их твердотельные электронные аналоги. Твердотельные реле также используют для замены традиционных симисторных и тиристорных устройств при токах меньше 250А.
Реле твердотельное по виду нагрузки разделяют на однофазные и трёхфазные. По типу управления они делятся на твердотельные реле постоянного тока и твердотельные реле переменного тока. При помощи твердотельных реле также возможно управлять выходным напряжением (напряжением на нагрузке).
Твердотельные реле обладают целым рядом достоинств: у них небольшое энергопотребление порядка на 95% меньше, чем при питании катушек управления у электромагнитных устройств, малый вес и габариты, они имеют высокую надёжность, обусловленную тем, что в них отсутствуют механические контакты, их характеристики остаются неизменными в течение всего срока эксплуатации.
Твердотельные реле особенно востребованы в системах автоматики и управления. В различных областях техники: автомобильной электронике, системах связи, бытовой электронике и промышленной автоматике происходит интенсивная замена электромагнитных реле и контакторов на их электронные твердотельные аналоги.
Однофазные и трехфазные твердотельные реле применяются в различных производственных процессах: управлении лампами накаливания, нагревательными элементами, маломощными электродвигателями, электромагнитами, соленоидными клапанами, а также иными исполнительными устройствами. Применение твердотельных реле обеспечивает высокую надежность и увеличивает срок службы систем управления технологическим оборудованием.
Твердотельные реле типа KIPPRIBOR
перекрывают диапазоны номинальных токов от 5 до 250 А.
Преимущества твердотельных реле по сравнению с электромеханическими реле и контакторами
· высокая надежность, обусловленная отсутствием механических контактов;
· неизменные характеристики в течение всего срока службы;
· отсутствие дребезга контактов, искр и электрической дуги при коммутации, что значительно снижает внутрисхемный уровень помех в аппаратуре и обеспечивает стабильность её работы;
· отличные характеристики изоляционных свойств между управляющими и силовыми цепями (до 4 кВ), высокое сопротивление изоляции корпуса;
· низкое энергопотребление (твердотельные реле потребляют электроэнергии значительно меньше, чем электромагнитные реле и контакторы);
· отсутствие акустического шума;
· высокое быстродействие;
· малые габариты и вес.
Экономические преимущества твердотельных реле
Преимущество твердотельных реле перед электромагнитными пускателями можно продемонстрировать простым арифметическим расчетом.
Предположим, что мы используем электромагнитный контактор для коммутации цепи питания нагревательного элемента, который поддерживает температуру в технологическом процессе при помощи ПИД – регулятора, который обеспечивает двухпозицонное регулирование мощности (включено-отключено). Допустим, что контактор рассчитан на номинальный ток 150А. В среднем при таком режиме работы контактор включает и отключает нагревательный элемент 10 раз в минуту. Число циклов коммутации контактора, рассчитанного на такие токи в среднем составляет 1 200 000 циклов.
Рассчитаем сколько циклов включено-отключено (В-О) будет производить (срабатывать) контактор за один рабочий день (8 часов):
1) За один час контактор будет срабатывать: 10 х 60 = 600 раз,
где 10 – количество включений-отключений в минуту, 60 – количество минут в 1 часе.
2) За один рабочий день контактор будет срабатывать: 600 х 8 = 4800 раз, где 600 – количество включений контактора в час, 8 – количество часов.
3) Разделив количество возможных циклов коммутации контактора (справочные данные) на количество срабатываний за один рабочий день, мы получим количество дней, в течение которых контактор сможет функционировать:
где 1200000 – ресурс контакторов (возможное количество циклов в процессе эксплуатации), 4800 – количество включений в день.
Таким образом, контактор будет находиться в рабочем состоянии меньше года, в то время как твердотельное реле, при соблюдении температурного режима, может работать десятилетиями, не производя шума, искрения контактов и электромагнитных помех, оказывающих влияние на работу оборудования, находящегося рядом.
Технические характеристики твердотельных реле приведены в Приложении 2.
Тиристорные контакторы
Тиристорный контактор или тиристорный переключатель переменного тока (ТППТ) — полностью бесконтактный аппарат.Если контактор
– это электрический аппарат, предназначенный для дистанционной коммутации силовых электрических цепей низкого напряжения, то
полупроводниковый контактор
– аппарат, выполняющий функции контактора, посредством использования полупроводниковых коммутационных аппаратов.
Наиболее часто тиристорные переключатели переменного тока строятся по схеме встречно – параллельного включения тиристоров VS
1,
VS
2 (рис.6.). При этом блок управления (БУ) вырабатывает импульсы в момент перехода питающего напряжения через ноль (для активной нагрузки). Эти импульсы сдвинуты один относительно другого на 1800 и открывают тиристоры поочередно таким образом, что в цепи нагрузки проходит синусоидальный переменный ток. Выключение тиристоров происходит при снижении мгновенного значения тока нагрузки до величины, называемой током удержания. Так как каждый период происходит выключение тиристоров, то в начале следующего периода из БУ должен поступить импульс, вновь открывающий тиристор.
Достоинства ТППТ:
1) высокий КПД за счет малого падения напряжения в открытом состоянии (около 1-2В);
2) высокое быстродействие (время включения тиристора не более 10 микросекунд);
3) большой коэффициент усиления по мощности (порядка 105 — 106);
4) малые габариты;
5) постоянная готовность к работе.
На рис.6 приведена принципиальная схема тиристорного контактора для управления установкой контактной сварки
| Рис. 6. Принципиальная схема тиристорного контактора для управления установкой контактной сварки |
При импульсном (кратковременном) замыкании кнопки SB
1 по электронному реле времени
КT,
будет протекать ток и замкнется (без выдержки времени) контакт
КT
в цепи управления тиристоров, тиристоры
VS1, VS2
становятся проводящими:
VS
1 — в положительную полуволну напряжения,
VS2
— в отрицательную. Проводимость тиристоров будет существовать пока контакт реле времени
КТ
замкнут. По истечение выдержки времени контакт
КT
размыкается, на управляющие электроды тиристоров не будет поступать отпирающее напряжение, тиристоры теряют проводимость при первом переходе тока через нуль и тем самым «разрывают» первичную цепь сварочного трансформатора, сварочный ток прекращается. Так как продолжительность контактной сварки составляет до 1с, поэтому только тиристорный контактор совместно с электронным реле времени способен обеспечить протекание тока в течение столь непродолжительного времени.
R-C
цепь параллельная тиристорам необходима для их защиты от возможных коммутационных перенапряжений, так как согласно второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может увеличиться скачкообразно. Сопротивление
R
0 необходимо для подбора соответствующей величины тока управления тиристорами. Диоды
VD
1,2 обеспечивают необходимую полярность тока управления на управляющих электродах соответствующих тиристоров в положительную и отрицательную полуволну напряжения сети.
Данный контактор называется неуправляемым, так как не позволяет регулировать величину тока нагрузки, а позволяет лишь подавать на нагрузку определённое число полуволн напряжения, обеспечивая заданную (за счет электронного реле времени) продолжительность тока нагрузки.
Пример.
Контакт реле времени
KТ
оказывается замкнут на время 0,04с, тогда через сварочный трансформатор пройдут полные 4 полуволны напряжения, которые трансформируются и во вторичной цепи понижающего сварочного трансформатора
TS
возникнет такое же количество полуволн тока. Прохождение тока приведет к свариванию деталей. Для увеличения или уменьшения мощности в месте сваривания необходимо увеличить или уменьшить время замкнутого состояния
КТ
.
На рис.7,8 приведены схемы трехфазных контакторов для управления и регулирования мощности печей сопротивления. При соединении нагревательных элементов в треугольник, требуется тиристорный контактор на 6 тиристорах.
| Рис. 7. Электрическая схема трехфазного контактора с регулированием напряжения на каждом тиристоре |
При соединении нагревательных элементов в звезду во второй встречно-параллельной цепи возможно установить диод.
| Рис. 8. Электрическая схема трехфазного контактора с регулированием напряжения в одном тиристоре фазы |
Часто вместо тиристоров также применяют симисторы, которые обладают свойствами встречно-параллельного соединения тиристоров, но имеют один управляющий электрод. При снятии управляющего тока закрываются для протекания обе полуволны тока.
Задание по исследованию работы тиристорного контактора
Программа испытаний тиристора
1. Включение тиристора
(перевод тиристора в проводящее состояние)
1.1. Изобразить принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую необходимость одновременного выполнения двух условий для включения тиристора (перевода его в проводящее состояние). Для этого использовать «прозвонку» и кратковременное прикосновение управляющего электрода к «плюсу прозвонки». Для обозначения кратковременного прикосновение использовать графическое изображение кнопки з замыкающим импульсным контактом.
1.2. По схеме, изображенной в п.1.1, перевести тиристор в проводящее состояние для включения нагрузки (лампы прозвонки).
2. Отключение тиристора (перевод тиристора в непроводящее состояние)
2.1. Изобразить принципиальную электрическую схему, иллюстрирующую необходимость одновременного выполнения единственного условия для отключения тиристора (перевода его в непроводящее состояние). Для этого использовать схему второй «прозвонки», подключив кратковременно плюс к катоду. Для обозначения кратковременного прикосновение использовать графическое изображение кнопки с замыкающим импульсным контактом.
2.2. По схеме, изображенной в п.2.1, перевести тиристор в непроводящее состояние для выключения нагрузки (лампы прозвонки). Для этого использовать вторую «прозвонку»
Программа испытаний тиристорного контактора
1. Составление схемы электроснабжения
Изобразить схему лабораторной установки (далее установка), присоединенную к схеме электроснабжения лаборатории посредством линии с активно-индуктивным сопротивлением. На схеме показать стационарные (щитовые) измерительные приборы (вольтметры на первичном и вторичном напряжении трансформатора установки, амперметр во вторичной цепи); дополнительные измерительные приборы, точки подключения цепей осциллографа: для измерения тока, для измерения падений напряжения на нагрузке и на тиристорном контакторе.
2. Испытание в схеме электроснабжения при включенном тиристорном контакторе
2.1. Включить тиристорный контактор на активно-индуктивную нагрузку. Регулятором угла управления установить максимально возможный ток по щитовому амперметру (больше 2,5А), что будет соответствовать углу управления тиристорами, равному углу сдвига фаз между напряжением на нагрузке и тока нагрузки (на осциллографе будут наблюдаться полные синусоиды тока и напряжения). Несколько раз отключить и включить контактор кнопками «Стоп» и «Пуск». Убедиться, что выставленное значение тока не изменяется. Далее произвести следующие измерения и расчеты.
· Зарисовать (сфотографировать) осциллограмму тока во вторичной цепи и падения напряжения на нагрузке с экрана осциллографа.
· Записать величину действующих значений напряжений и тока по щитовым и дополнительным приборам, рассчитать величину амплитуды напряжения по осциллографу (или использовать режим измерений осциллографа). Сравнить показания.
Сделать выводы о характере осциллограмм тока и напряжения
2.2. Повторить задания п.2.1 еще для двух значений тока: а) в диапазоне от 1,2А до 2А (вращая регулятор угла управления добиться по амперметру заданного значения тока, а по осциллографу частичной синусоиды тока и напряжения на нагрузке), б) минимального (вращая регулятор тока добиться по щитовому прибору значения тока в диапазоне 0,5А-0,8А).
Сделать вывод о зависимости искажения кривой напряжения и тока нагрузки при увеличении угла управления. Сделать вывод о причинах сдвига тока от момента естественной коммутации в конце полупериода.
2.3. Повторить задания пунктов 2.1,2.2 для активной нагрузки (при закороченной индуктивности нагрузки).
Сделать выводы о характере осциллограмм тока и напряжения. Сделать вывод о зависимости искажения кривой напряжения и тока нагрузки при увеличении угла управления. Сделать вывод о причинах сдвига тока от момента естественной коммутации в начале полупериода.
2.4. Используя данные измерений пунктов 2.1-2.3., построить следующие графические зависимости.
· Графики зависимости напряжения на нагрузке от величины угла управления тиристорного контактора для активно-индуктивной нагрузки и для активной нагрузки.
· Регулировочные характеристики тиристорного контактора (зависимость величины тока от величины угла управления тиристорного контактора).
Угол управления αи угол φопределяются с помощью осциллографа.
Содержание отчета
Отчет должен содержать текст задания, таблицы экспериментальных данных, осциллограммы и выводы по каждому пункту задания.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Устройство, принцип действия и характеристики тиристора.
2. Устройство, принцип действия и характеристики симистора.
3. Вольт-амперная характеристика тиристора и симистора.
4. Особенности коммутации и проведения тока тиристорами и симисторами.
5. Каким образом осуществляется регулирование длительности протекания тока нагрузки тиристорного контактора переменного тока на основе схемы контактной сварки.
6. Каким образом осуществляется регулирование величины тока нагрузки тиристорного контактора переменного тока. Принципиальная схема и осциллограммы.
7. Принцип работы системы импульсно-фазового управления тиристорами в однофазной сети
8. Каким образом осуществляется регулирование величины тока нагрузки тиристорного контактора постоянного тока. Принципиальная схема и осциллограммы.
9. Переходные процессы работы при работе управляемого тиристорного контактора
10. Понятие твердотельного реле
11. Изобразить принципиальные схемы испытания тиристора с использованием «прозвонок»
12. Области применения твердотельныхреле их достоинства, расчет эффективности.
13. Модификации и технические характеристики твердотельных реле
14. Описание принципиальной схемы лабораторной установки
Приложение 1
Варианты исполнения
| Коммутируемое напряжение | Напряжение управления | Номинальный рабочий ток / Модификация реле | ||
| 5 А | 10 А | 15 А | ||
| 440 V AC | 3…32 V DC | MDO 544 ZD 3 | MD 1044 ZD 3 | MD 1544 ZD 3 |
| блок контроля перехода через 0 |
| Рис. П2.1. Схема включения MDxxxxZD 3 |
3, мм
Структура условного обозначения:
MD
1044
XXX
M
– тип корпуса твердотельного реле «
М
»;
D
– количество фаз «
D
»: однофазное;
10 – номинальный рабочий ток, А: 5;10;15;
44 – номинальное коммутируемое напряжение, В: «44»: 440 V AC
;
XXX – тип управляющего сигнала и коммутируемого напряжения (ZD
3 – управление 3…32
V DC
, коммутация напряжения постоянного тока ).
Радиатор выбирается в соответствии с номинальным рабочим током. Например, для допустимого тока нагрузки не более 20А, применяется модель радиатора типа РТР060.
Варианты исполнения
| Коммути-руемое напряже-ние | Напряжение управления | Номинальный рабочий ток / Модификация реле | ||||
| 10 А | 25 А | 40 А | 60 А | 80 А | ||
| 440 V AC | 3…32 V DC 90…250 V AC | HD 1044 ZD 3 HD 1044 ZA 2 | HD 2544 ZD 3 HD 2544 ZA 2 | HD 4044 ZD 3 HD 4044 ZA 2 | − HD 6044 ZA 2 | − HD 8044 ZA 2 |
| 250 V DC | 3…32 V DC | HD 1025 DD 3 | HD 2525 DD 3 | HD 4025 DD 3 | − | − |
| 440 V A C | Переменный резистор 470-560 кОм | HD 1044 VA | HD 2544 VA | HD 4044 VA | − | − |
Таблица П2.5
Спецификация
| Модификация твердотельного реле | HDxxxxDD 3 | HDxxxxZD 3 | HDxxxxZA 2 | HDxxxxVA |
| Технические характеристики | ||||
| Тип выходного элемента | Транзистор (Transistor ) | Симистор (TRIAC ) | Симистор (TRIAC )* | Симистор (TRIAC ) |
| Напряжение управления | 5…32 V DC | 3…32 V DC | 90…250 V AC | Переменный резистор 470-560 кОм |
| Потребляемый ток в цепи управления | 5…35 мА | 6…35 мА | 5…30 мА | − |
| Напряжение управления (порог включения / порог выключения) | 5 V DC / 1 V DC | 3 V DC / 1 V DC | 90 V AC / 10 V AC | − |
| Коммутируемое напряжение | 20…250 V DC | 40…440 V AC | 40…440 V AC | 40…440 V AC |
| Номинальный ток (варианты исполнения) | 10 A, 25 A, 40 A | 10 A, 25 A, 40 A | 10 A, 25 A, 40 A, 60 А, 80 А | 10 A, 25 A, 40 A |
| Максимальное пиковое напряжение | 400 V DC | 900 V AC | ||
| Падение напряжения в цепи нагрузки (включенное состояние) | ≤ 1,2 V DC | ≤ 1,6 V AC | ≤ 1,6 V AC | − |
| Время переключения реле при частоте сети 50 Гц | ≤ 5 мс | ≤ 10 мс | ≤ 10 мс | − |
| Ток утечки на выходе в выключенном состоянии | ≤ 5мА | ≤ 10 мА (TRIAC) | ≤ 10 мА | ≤ 10 мА |
| Индикация наличия управляющего сигнала | Светодиод | |||
| Сопротивление изоляции | 500 МОМ при 500 V DC | |||
| Напряжение изоляции по переменному току | 2500 V в течении одной минуты | |||
| Условия эксплуатации | ||||
| Температура окружающего воздуха | -30…+80 °С | |||
| Атмосферное давление | 84…106,7 кПА | |||
| Относительная влажность воздуха (при +35°С и ниже при конденсации влаги) | ≤ 98 % | |||
| Корпус | ||||
| Габаритные размеры | 57,2 х 43,5 х 29 мм | |||
| Тип монтажа | Крепление винтами на плоскость | |||
| Масса | ≤ 150 г |
Продолжение таблицы П2.5
| Примечание | При использовании реле при управлении индуктивной нагрузкой необходимо установить шунтирующий диод параллельно нагрузке (в соответствии со схемой включения) 1) При токе нагрузки большем 5 А монтаж реле осуществляется на охлаждающий радиатор; 2) При использовании реле для управления индуктивной нагрузкой необходимо установить варистор параллельно цепи нагрузки (в соответствии со схемой включения). |
* – выходной элемент симистор (TRIAC
) используется на номинальные токи до 40 А включительно, от 60 А – тиристор (
Thyristor
)
| блок контроля перехода через 0 |
Структура условного обозначения:
HD
1044
XXX
H
– тип корпуса твердотельного реле «
H
»;
D
– количество фаз «
D
»: однофазное;
10 – номинальный рабочий ток, А: 10; 25; 40; 60; 80;
44 – номинальное коммутируемое напряжение, В: «44»: 440 V AC
;
«25»: 250 V DC
;
| Рис. П2.3. Схема включения HDxxxxZD 3
| |
| Рис. 1.25. Схема включения HDxxxxZА 2 | |
цепь устранения сдвига фаз
| |
| Рис. П2.4. Схема включения HDxxxxVA |
Тиристорный контактор: переключатель переменного тока
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.
ЭПРА для люминесцентных ламп
Величина тока, при котором происходит выключение, называется током удержания. Поочередное поступление импульсов из блока управления вызывает такое же периодическое закрытие и открытие тиристоров.
На практике работа представленной схемы происходит следующим образом. После нажатия кнопки SB1 через электронное реле времени КТ потечет ток.
Это вызовет замыкание контакта КТ в цепи управления и тиристоры VS1 и VS2 становятся проводниками: первый – с положительной полуволной, а второй – с отрицательной полуволной напряжения. Такая проводимость сохраняется на все время, пока замкнуты контакты КТ.
По окончании временной выдержки происходит размыкание контактов и напряжение к управляющим электродам уже не поступает. Проводимость теряется и наступает разрыв цепи.
Все эти действия происходят за очень короткое время, как раз достаточное для контактной сварки, используемой в качестве примера. Подобный рабочий режим может быть обеспечен только тиристорным контактором в совокупности с электронным реле времени. Необходимая полярность управляющего тока обеспечивается диодами VD1 и VD2, соединенными с соответствующими тиристорами.
Данный тип контактора предназначен для работы с переменным током. Он считается неуправляемым, поскольку в нем отсутствует регулировка величины токовой нагрузки. Такие контакторы обеспечивают лишь продолжительность этой нагрузки, за счет определенного количества полуволн, устанавливаемых электронным реле времени.
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.
Бестрансформаторный блок питания
Однако, к этим приборам иногда предъявляются индивидуальные требования. Например, в случае необходимости, тиристорный контактор должен включаться в работу в течение минимального промежутка времени.
Поэтому вместе с тиристорным устройством могут использоваться обычные электромагнитные контакторы, составляющие комбинированную схему. Их основной функцией является своевременное отключение тиристора. При параллельном подключении (рис.
3а) тиристор выключается путем шунтирования его при помощи замыкающего контакта К.
Если используется последовательное подключение (рис. 3б) данная операция осуществляется размыкающим контактом К. Подобная комбинированная схема включается управляющим импульсом, подаваемым к тиристору VS.
Тиристорные контакторы классифицируются по способу коммутации. Основным признаком считается связь между включениями и выключениями тиристора, производимыми за счет общих электромагнитных процессов, захватывающих коммутирующий контур. В разных случаях коммутация может быть одно-, двух- и трехоперационной или же одно-, двух- и трехступенчатой.
При наличии двух ступеней коммутации, основной тиристорный пускатель может быть выключен независимо от того, когда он был включен.
В подобных схемах для выключения используется специальная коммутирующая цепь, подключаемая к основному элементу через дополнительный тиристор.
Поэтому процесс выключения контактора в данном случае считается второй рабочей операцией, выполняемой независимо от других действий. Для ее осуществления управляющий импульс подается к коммутирующему тиристору.
Трехоперационная схема может включать в себя еще одну дополнительную операцию, если это требуется по техническим условиям эксплуатации. Теоретически количество ступеней можно наращивать без каких-либо ограничений, однако такие многоступенчатые схемы на практике не применяются.
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.
Электроемкость плоского конденсатора
Определенные недостатки присутствуют даже у этих совершенных приборов:
- Отсутствует физический разрыв цепи и гальваническая развязка, что снижает уровень безопасности при эксплуатации устройства.
- Обладают меньшей глубиной коммутации по сравнению со стандартными контактными устройствами.
- Увеличенный вес, габариты, сравнительно высокая цена.
Область применения тиристорных контакторов
По своим техническим характеристикам тиристорные контакторы оказались наиболее подходящими для использования в следующих операциях:
- Тяжелый и продолжительный пуск с высокими нагрузками, характерный, например, для центробежных и осевых вентиляторов.
- При создании значительной нагрузки на сеть во время пуска, что приводит к просадкам напряжения и ложным срабатываниям. Установка тиристорного контактора позволяет снизить пусковой ток примерно в 3 раза.
- Большое количество включений и выключений за короткий промежуток времени.
- Запуск двигателей большой мощности, особенно с высокими оборотами. Происходит снижение электродинамического воздействия на агрегат.
- В системах плавного пуска, предусмотренных технологическими процессами.
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.
Принцип работы тиристорного пускателя трехфазного переменного тока
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.
