5. Схема бестоковой коммутации в одной фазе электромагнитного контактора
Основные сведения
Бестоковой ( бездуговой ) называют такую коммутацию, при которой ток через кон
такты протекает только при достижении их нормального нажатия и не протекает при их замыкании или размыкании .
Такое бестоковое переключение контактов полностью исключает их электриче-
ский износ и увеличивает их срок службы в десятки раз.
Процесс коммутации контактов можно разделить на три временных промежутка:
замыкание - от начального касания контактов до достижения нормального на-
жатия; этот промежуток составляет сотые доли секунды;
рабочее состояние, при нормальном нажатии контактов; этот промежуток вре-
мени зависит от режима работы данного электропривода и может составлять от несколь-
ких секунд ( лебедки, краны ) до десятков суток ( охлаждающий насос главного двигателя );
размыкание – от нормального нажатия контактов до их размыкания; этот проме
жуток составляет сотые доли секунды.
Схема бестоковой коммутации
Рассмотрим схему безтоковой коммутации ( рис. 225 ).
Блок бестоковой коммутации предназначен для бестоковой коммутации главных контактов КМ электромагнитного контактора. Это означает, что при замыкании и размыка
нии главного контакта КМ ток протекает не через этот контакт, а через тиристоры блока.
В то же время в рабочем состоянии, когда подвижный и неподвижный медные контакты
контактора плотно прижаты друг к другу, ток протекает как раз через них.
Отсюда следует, что применение такого блока резко уменьшает электрический и механический износ, а также обгорание медных контактов контактора
В состав схемы входят:
КМ – главный контакт контактора переменного тока;
VS1, VS2 – тиристоры силовой части схемы;
VS3, VS4 – тиристоры схемы управления;
VD1, VD3, VD5, VD7 – диоды схемы управления;
VD2, VD4, VD6, VD8 – стабилитроны схемы управления;
R1, R2 – резисторы в цепях управления тиристоров VS3, VS4;
R – C – шунтирующая цепочка, для снижения скорости нарастания напряжения
на контактах при их размыкании;
ТА – трансформатор тока.
Рис. 225. Схема бестоковой коммутации
Этот трансформатор имеет первичную обмотку и четыре вторичные обмотки I, II, III и IV, включенные попарно-последовательно. Жирными точками обозначены условные начала обмоток трансформаторами.
Существует правило: мгновенная полярность всех выводов, обозначенных точка-
ми, в любой момент времени одинакова. Например, если мгновенная полярность ЭДС первичной обмотки – «плюс» на верхнем выводе ( с точкой ), «минус» на нижнем, то та-
кая же полярность будет на выводе каждой вторичной полуобмотке, обозначенной точ-
кой.
Принцип бездуговой коммутации состоит в том, что в моменты размыкания или размыкания главного контакта КМ тиристор VS1 ( или VS2, в зависимости от полуволны переменного тока ) включается и шунтирует этот контакт.
Рассмотрим работу схемы при замыкании, работе и размыкании контактов.
Работа схемы при замыкании контактов
При замыкании, в момент касания контактов, через них и первичную обмотку тран
сформатора начинает течь ток нагрузки. Пусть ток направлен сверху вниз, а мгновенная полярность напряжения такая: «плюс» в точке А, «минус» в точке В ( полярность точек А и В обозначена в скобках ).
Тогда в первичной обмотке трансформатора ТА возникает электродвижущая сила самоиндукции, которая, по правилу Ленца, имеет полярность: «плюс» на верхнем выводе ( с точкой ), «минус» на нижнем ( полярность без скобок ).
При этом в цепи полуобмотки IV появится ток управления тиристора VS2:
«плюс» на нижнем выводе полуобмотки IV – диод VD7 - управляющий электрод VS2 – катод VS2 – «минус» на верхнем выводе полуобмотки IV.
Направление тока показано стрелочками.
Тиристор VS2 открывается и шунтирует главный контакт КМ.
Поэтому ток нагрузки переключается – большая часть тока начинает протекать че-
рез тиристор VS2 в направлении сверху вниз, и лишь незначительная часть – через непло-
тно замкнутый контакт КМ.
Такое перераспределение токов объясняется тем, что в открытом состоянии тири-
стор VS2 и главный контакт ГК включены параллельно, но прямое сопротивление откры-
того тиристора во много раз меньше сопротивления неплотно прижатых главных контак-
тов.
Таким образом, на стадии замыкания контактов практически весь ток нагрузки про
текает через тиристор VS2 и не протекает через контакт КМ.
Рабочее состояние схемы
В рабочем состоянии главные контакты друг к другу прижаты плотно, их переход-
ное сопротивление близко к нулю, поэтому происходит обратное переключение токов – теперь основная часть тока нагрузки протекает через контакты, а незначительная – через тиристор VS2. В этом состоянии цепь тока управления тиристором VS2 сохраняется в течение рассматриваемой полуволны переменного тока.
В эту полуволну переменного тока тиристор VS1 остается закрытым, т.к. поляр-
ность напряжения сети ( между точками А и В ) – обратная по отношению к VS1, и запира
ет его.
Таким образом, в рабочем состоянии практически весь ток нагрузки протекает че-
рез контакт КМ и не протекает через тиристор VS2.
Работа схемы при размыкании контактов
При размыкании главных контактов вновь происходит перераспределение токов:
большая часть тока нагрузки начинает протекать через тиристор VS2, а меньшая, непре-
рывно убывающая из-за увеличения расстояния между контактами – через дугу.
При этом обгорание главных контактов практически исключается.
Таким образом, при размыкании главных контактов практически весь ток нагрузки протекает через тиристор VS2 и не протекает через контакт КМ.
Работа схемы при коротком замыкании
При коротком замыкании происходит отброс контактов, т.е. их размыкание.
В этом случае схема работает иначе, чем при обычном размыкании контактов, а именно:
исключается действие тиристора VS2 ( VS1 ), поэтому ток короткого замыкания протекает только через главные контакты, что резко сокращает время протекания этого тока.
Схема работает так: вследствие резкого увеличения тока нагрузки, напряжение на полуобмотке III ( I ) резко возрастает и становится достаточным для пробоя стабилитрона VD6 . После пробоя образуется цепь тока :
«плюс» на нижнем выводе полуобмотки III - VD6 - VD5 - R2 – «минус» на верхнем выводе.
При этом на резисторе R2 возникает падение напряжения с полярностью «плюс» слева, «минус» справа. Это напряжение отпирает тиристор VS4, через него и диод VD7 последовательно соединенные полуобмотки III и IV замыкаются накоротко по цепи:
«плюс» на нижнем выводе обмотки IV – диод VD7 – тиристор VS4 – «минус» на верхнем выводе обмотки III.
Это приводит к уменьшению напряжения на полуобмотках IV ( II ) практически до нуля, поэтому тиристор VS2 закрывается. Тем самым ток короткого замыкания пере-
ключается в цепь главных контактов и уменьшается до нуля гораздо быстрее, чем ток при нормальном размыкании контактов.
Тем самым снижается опасность повреждения участков электрической цепи вследствие выделения большого количества тепла в обмотках электрических машин и линиях электропередачи, а также действия электродинамических усилий, повреждающих лобовые части обмоток статоров ( якорей ) машин переменного ( постоянного ) тока.
Техническое использование устройства
Описанное устройство бестоковой коммутации представляет собой блок размера
ми 270х190х50 мм и массой 4,5 кг и применяется в контакторах переменного тока серии КТ на токи 100 и 160 А. Его можно пристраивать к контактору или устанавливать отдельно от него.
Область применения контакторов с бездуговой коммутацией: электроприводы с
большой частотой включений, например, высокопроизводительные краны, грузовые лебед
ки и др.