Тиристорні контактори або тиристорні пускачі постійного та змінного струму
Контактор (пускач) – вимикач на під/п елементах. Для підвищення швидкодії при вимкненні іноді використовуються контактори та пускачі як змінного, так і постійного струму.
Всі пристрої штучної комутації в принципі нічим не відрізняються від ШИП, крім того, що контактор працює тільки на 2 положення - включити/вимкнути.
Статичні контактори та пускачі тиристорні контактори змінного струму
Для комутації силових ланцюгів змінного струму розроблено багато різних типів електричних апаратів: автоматичні вимикачі, електромагнітні контактори:
та ін Більшість їх засновано на механічному взаємодії окремих вузлів і деталей. Наявність рухомих вузлів та деталей обумовлює інерційність процесів замикання та розмикання електричних контактів. Зазвичай час увімкнення та вимкнення таких апаратів знаходиться в діапазоні від десятих до сотих часток секунди в залежності від типу комутаційного апарату.
Напівпровідникові ключові елементи дозволяють суттєво підвищити швидкодію комутаційних апаратів. З цією метою розроблено низку схем, так званих безконтактних комутаційних апаратів, виконаних переважно на основі тиристорів. У літературі такі апарати найчастіше називаються тиристорними контакторами. Відсутність рухомих частин та металевих контактних з'єднань робить ці пристрої значно більш надійними та швидкодіючими. Крім того, як і всі схеми з напівпровідниковими приладами, вони мають великий термін служби.
У найпростішому виконанні силова частина однофазного тиристорного контактора є двома зустрічно-паралельно включенимитиристора(рис. 1 а)або один симетричний тиристор. Якщо тиристори проводять струм, то контактор увімкнено, якщо тиристори струм не проводять, то контактор вимкнений. Оскільки струм змінний, то одну напівхвилю струму проводить тиристор VS1, іншу — тиристор VS2. Різниця між ними полягає у законі управління тиристорами. У регуляторі керуючі імпульси на тиристори надходять з різними кутами управління , а в контакторі - таким чином, щоб кожен тиристор проводив одну або кілька повних напівхвиль струму або обидва тиристори були вимкнені.
Оскільки тиристор є елементом, що не замикається по управлінню, то для його вимикання необхідно забезпечити спадання струму до нуля. Якщо контактор включений у ланцюги з активним опором ZH = RH(рис. 1 а), то моменти проходження через нуль струму та напруги збігаються. При активно-індуктивному навантаженні струм відстає від напруги, перехід струму з одного тиристора на інший відбувається пізніше на кут н, який визначається коефіцієнтом потужності навантаження(рис. 1 б). Для того щоб вимкнути тиристор раніше моменту проходження струму комутованого ланцюга через нуль, необхідно застосовувати штучну комутацію тиристорів.
Залежно від того, вимикаються тиристори під впливом природного зниження змінного струму до нуля або за допомогою їх штучної комутації, розрізняють тиристорні контактори з природною комутацією (ТКЕ) та штучною комутацією (ТКІ). Щоб вимкнути ТКЕ, досить припинити подачу керуючих імпульсів на тиристори. У цьому випадку максимальний час вимикання тиристора не перевищуватиме половини періоду вихідної напруги. Наприклад, якщо припинити подачу імпульсів, що управляють, в момент включення чергового тиристора, то він проводитиме напівхвилюструму, тобто протягом 180 °, а інший тиристор вже не зможе включитися через відсутність управляючого імпульсу.
При необхідності мати час вимикання меншим, ніж половина періоду вихідної напруги, слід застосовувати ТКІ. Однак у цьому випадку виникає проблема відведення енергії, накопиченої в індуктивності навантаження, при знеструмленні ланцюга, що з'єднує джерело електроенергії з навантаженням. Це пов'язано з тим, що згідно з основними законами комутації струм в індуктивності не може змінюватися стрибком. Тому чим швидше відбувається відключення ланцюга, що містить індуктивність, зі струмом, відмінним від нуля, тим більші перенапруги виникнуть на апараті, що відключає. Зазначені перенапруги є наслідком наведення ЕРС в індуктивності, що перешкоджає зміні значення навантаження. Для усунення перенапруг (небезпечних для елементів комутаційного апарату) слід у разі застосування ТКІ передбачати можливість відведення або скидання енергії, накопиченої в індуктивностях навантаження, будь-який приймач або накопичувач електроенергії. Зокрема, таким приймачем може бути конденсатор або джерело змінного струму, здатний приймати електроенергію.
На рис. 2 а , представлена схема ТКІ, в якій відключення основних тиристорів VS1, VS2 проводиться за допомогою коливального контуру, елементами якого є конденсатор CK і реактор LK. Такі схеми у літературі іноді називають схемами з паралельною комутацією. Коли ТКІ включений, то струм навантаження протікає один напівперіод через тиристор VS1 і діод VD1; а в іншій – через тиристор VS2 та діод VD2. Комутуючий конденсатор Ск заряджений від малопотужного допоміжного трансформатора Тр з полярністю, вказаною на рис. 2 , і відокремлений від основних тиристорів і діодівкомутуючим тиристором VSK.
Для вимкнення основних тиристорів необхідно подати керуючий імпульс на комутуючий тиристор VSK. При цьому в результаті розряду конденсатора Ск у коливальному контурі виникає струм iK, який протікатиме через той основний тиристор, який в цей момент проводить струм, і буде направлений назустріч цьому струму. Наприклад, припустимо, що струм навантаження проводив тиристор VS1. При включенні тиристора VSK через тиристор VS1 починає протікати різницю струмів навантаження iH та контуру iK. Поки струм iK менший за струм iH, тиристор VS1 буде включений, а діод VD2 вимкнений, так як до нього прикладена зворотна напруга, обумовлена падінням напруги на тиристорі VS1. При рівності струмів iH та iK тиристор VS1 вимикається, струм iK продовжує зростати, різниця струмів iK та iH протікатиме через діод VD. На інтервалі провідності діода VD2 до тиристора VS1 буде додана зворотна напруга, що дорівнює падінню напруги на діоді VD2. Коли струм iK стане менше струму iH, діод VD2 вимикається, і струм навантаження iH починає протікати по контуру діод VD3 – конденсатор СK – реактор LK – тиристор VSK – діод VD1 – навантаження – джерело – діод VD3. При цьому відбуватиметься перезаряд конденсатора СК струмом навантаження iH і енергія, запасена в індуктивності навантаження, переходитиме в конденсатор СК. Ця обставина викликає необхідність суттєво завищувати його встановлену ємність або вводити до схеми додаткові пристрої, що поглинають енергію.
Швидкодія розглянутого ТКІ при використанні його для комутації ланцюгів з активним навантаженням обмежена практично лише часом вимкнення тиристорів (зазвичай десятки мікросекунд). Однак при активно-індуктивному навантаженні цей час збільшується і залежить від параметрів схеми та навантаження.
Кількість основних тиристорів в даному ТКІ може бути зменшено до одного, як це показано на рис. 2 б . У цьому випадку спрощується управління ТКІ, але одночасно збільшуються втрати у схемі. Останнє пояснюється тим, що при включеному ТКІ струм навантаження в кожний момент часу протікає по трьох елементах: двом діодам та одному тиристору. Здебільшого процеси в обох схемах подібні.
У багатофазних системах статичні контактори зазвичай встановлюють окремо кожну фазу. При цьому деякі функціональні вузли фазних контакторів можуть бути об'єднані схемно і конструктивно.
Існує багато різних схем напівпровідникових контакторів, що відрізняються як принципом дії, так і елементною базою. Більшість з них мають суттєві переваги перед електромеханічними апаратами в частині швидкодії, надійності та терміну служби, а в деяких випадках мають і кращі масогабаритні показники. Слід, однак, відзначити, що всім напівпровідниковим контакторам властивий один загальний недолік - неможливість забезпечення повної гальванічної розв'язки ланцюгів, що комутуються, у відключеному стані. Це пояснюється тим, що опір повністю вимкненого напівпровідникового приладу має кінцеве значення, в той же час механічні контакти забезпечують повний розрив ланцюга.