МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА”

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

1	Цель работы	3
2	Твердотельные реле	3
2.1	Общие понятия	3
2.2	Области применения	8
3	Тиристорные контакторы	10
4	Тиристорные управляемые пускатели (тиристорные источники питания)	14
5	Описание лабораторной установки	21
6	Задание по исследованию работы тиристорного контактора
7	Содержание отчета	23
8	Контрольные вопросы	23
	Приложение 1.Конструкция, принцип действия и основные параметры тиристоров	25
	Приложение 2.Конструкция и основные параметры твердотельных реле	30

1. Цель работы

Изучить:

1. принцип действия твердотельных реле и тиристорных контакторов;

2. основные характеристики диодов, тиристоров, симисторов;

3. основные характеристики твердотельных реле

4. принцип работы схемы импульсно-фазового регулирования напряжения на нагрузке.

2. Твердотельные реле

   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

Н

А

аружная 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).

~ 220В

Рис. 3. Твердотельное реле переменного тока на двух тиристорах

При положительной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS1 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 VS2 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. 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 положении на симисторе остается минимальное напряжение U_ОСТ , 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. Области применения твердотельных реле

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.