2.1.8. Применение полупроводниковых приборов для гашения дуги
Одним из перспективных путей повышения эффективности коммутации силовых цепей, позволяющим исключить возникновение дуги отключения или ограничить время ее горения, является использование силовых полупроводниковых приборов. Во многих странах и у нас в РФ ведутся работы по созданию коммутационных аппаратов на базе тиристоров и симисторов, однако до настоящего времени такие аппараты имеют ограниченное применение. Основными факторами, препятствующими широкому применению указанных аппаратов, даже при низком напряжении, являются высокая стоимость, значительные габариты, отсутствие видимого разрыва цепи, чувствительность к перегрузкам, скорости нарастания тока и напряжения.
Более приемлемыми для сильноточных аппаратов признаны устройства с бездуговой коммутацией, основанные на использовании механических контактов и тиристоров или механических синхронизирующих устройств, контактов и неуправляемых диодов.
Коммутация цепей переменного тока. Для аппаратов с высокой частотой оперативных включений и отключений заслуживает внимания контактная система с тиристорным блоком бездугового отключения (рис. 6-28). ТиристорыVS1 иVS2 включены параллельно контакту. При разомкнутом контактеК они заперты — ток в цепи отсутствует. При замыкании контакта и возникновении тока в цепи трансформаторы токаТА1 иТА2 (или другое устройство) через диодыVD1 иVD2 подают соответственно полярности полуволны отпирающие сигналы на управляющие электроды тиристоров. Однако ток через тиристоры не протекает, так как они шунтированы контактом. В момент размыкания контакта ток переходит в цепь того из тиристоров, направление проводимости которого соответствует полярности тока. Прямое падение напряжения, на открытом тиристоре мало (1,5 — 2 В на одном тиристоре), и дуга на контактах не возникает. При переходе тока через нуль проводящий тиристор закроется, а второй не откроется ввиду отсутствия сигнала. Ток в цепи прекратится. Коммутационная износостойкость контактов при этом способе гашения сильно возрастает (например, у контакторов серий КТ64 и КТ-65 — в 10 раз).
Так как тиристоры обтекаются здесь током только в течение полупериода, то они могут выбираться на малые номинальные токи с большими перегрузками. Габариты тиристорного блока оказываются малыми.
Принципиальная электрическая схема коммутационного устройства с синхронизированным размыканием контактов приведена на рис. 6-29.
Контакты К1 и К2 замыкаются и удерживаются в замкнутом положении приводом. Встречно-параллельно включенные диодыVD1 иVD2 представляют собой незначительное нелинейное симметричное малоинерционное сопротивление, они не искажают форму тока и не влияют на него. Ток протекает в параллельных цепочках в соответствии с полярностью диодов. При отключении привод освобождает подвижные контакт-детали, предоставляя возможность контактамК1 иК2 разомкнуться с помощью своих отжимающих пружин. Контролирующие электромагниты1 и 2 удерживают контакты замкнутыми до перехода тока через нуль и до закрытия диодов. Если в момент отключения привода ток проходит через электромагнит 2, то контактК2 удерживается в замкнутом положении до конца полупериода, а контактК1 размыкается одновременно с приводом. Аналогично происходит, если в момент отключения привода ток протекает через электромагнит1: контактК2 (обесточенный) отключается одновременно с приводом, а контактК1 — в конце полупериода тока, проходящего по нему.
Контролирующие электромагниты обеспечивают размыкание контактов не синхронно с приводом, а в паузу тока, создаваемую диодами после перехода тока через нуль.
Устраняя электрическую дугу, устройство, выполненное по этой схеме, обеспечивает высокую изолирующую способность межконтактного промежутка в отключенном состоянии (контакты разомкнуты) и малое сопротивление во включенном состоянии. При больших токах это устройство может быть использовано как дугогасительный контакт, у которого основной контакт отключается одновременно с приводом, а контакты К1 и К2 – соответственно полупериоду протекающего по ним тока.
Рис. 6-30. Схемы бездуговой коммутации на постоянном токе
Коммутация цепей постоянного тока. Отключение постоянного тока представляет собой процесс принудительного его обрыва. Схемы, обеспечивающие либо ограничение времени горения дуги, либо полностью бездуговую коммутацию, многообразны и сложны. Они основаны, как правило, на конденсаторном гашении в сочетании с искусственной коммутацией тиристоров.
* В схемах, выполненных по принципу, показанному на рис. 6-30, а, после размыкания контакта К открывается тиристорVS. Заранее заряженный конденсаторС разряжается через дугу и катушку индуктивностиL, благодаря
чему ток в дуге дважды меняет свое направление. В один из переходов тока через нуль возможно гашение дуги. Такие схемы при токах свыше 100 А требуют значительных емкостей (конденсатор имеет большие габариты и время заряда), обеспечивают только сокращение времени горения дуги и, таким образом, малоэффективны.
В схемах, подобных показанной на рис. 6-30,б, процесс отключения цепи двухступенчатый: сперва открывается тиристор VS1, ток переводится в цепь тиристора и контактК размыкается без дуги. Затем открытием тиристораVS2 осуществляется разряд конденсатораС и запирание тиристораVS1, достигается полное бездуговое отключение тока.
Во всех случаях амплитуда тока разряда конденсатора должна быть больше тока цепи. Цепь диода VD и резистораR служит для снижения напряжений и повышения отключающей способности, тиристорVS3 — для заряда (одна из схем) конденсатора.
Бездуговая коммутация цепей постоянного тока в сочетании с другими мероприятиями позволяет проектировать выключатели с полным временем отключения не более 0,01 с, а также повышать коммутационную износостойкость аппаратов (для контакторов — в 5 — 10 раз).