По сравнению с коммутационными аппаратами постоянного тока, полупроводниковые аппараты переменного тока имеют более сложную структуру. Принципиальная схема и конструктивное исполнение их определяются назначением, предъявляемыми требованиями и условиями работы. При том широком применении, которое находят бесконтактные устройства, существует большое многообразие вариантов их исполнения. Тем не менее, все они могут быть представлены обобщенной структурной схемой, которая показывает необходимое число функциональных блоков и их взаимодействие.
На рис. 8.5 приведена структурная схема полупроводникового аппарата переменного тока в однополюсном исполнении. Она включает в себя четыре функционально законченных узла.
Силовой блок 1 с элементами защиты от перенапряжений (RС-цепь на рис. 8.5) является основой коммутирующего устройства, его исполнительным органом.
Он может быть выполнен, на базе только управляемых вентилей – тиристоров или с использованием диодов.
Блок управления 2 содержит устройства, которые осуществляют селекцию и запоминание команд, поступающих от органов управления или защиты, формируют управляющие импульсы с заданными параметрами, синхронизируют поступление этих импульсов на входы тиристоров с моментами перехода тока в нагрузке через нуль.
Схема блока управления значительно усложняется, если аппарат, кроме функции коммутирования цепей, должен осуществлять регулирование напряжения и тока. В этом случае она дополняется устройством фазового управления, обеспечивающим сдвиг импульсов управления на заданный угол по отношению к нулю тока.
Блок датчиков режима работы аппарата 3 содержит измерительные устройства тока и напряжения, реле защиты различного назначения, схему выработки логических команд и сигнализации коммутационного положения аппарата.
Блок принудительной коммутации 4 объединяет в себе конденсаторную батарею, схему ее зарядки и коммутирующие тиристоры. В аппаратах переменного тока этот блок содержится только при условии использования их в качестве защиты (автоматических выключателей).
Силовая часть аппарата может быть выполнена по схеме со встречно-параллельным включением тиристоров (рис. 8.5), на основе симметричного тиристора (симистора) (рис. 8.6, а) и в различных сочетаниях тиристоров и диодов (рис.8.6, б и в). В каждом конкретном случае при выборе варианта схемы должны учитываться следующие факторы: параметры по напряжению и току аппарата, число используемых приборов, нагрузочная способность в длительном режиме и устойчивость к перегрузкам по току, степень сложности управления тиристорами, требования к массе и габаритам, стоимость.
Сравнение приведенных на рис.8.5 и 8.6 силовых блоков показывает, что наибольшими преимуществами обладает схема со встречно-параллельно включенными тиристорами.
Такая схема содержит меньше приборов, отличается меньшими габаритами, массой, потерями энергии и стоимостью.
По сравнению с симисторами, тиристоры с односторонней (однонаправленной) проводимостью имеют более высокие параметры по току и напряжению, способны выдерживать значительно большие перегрузки по току.
Схемы, представленные на рис. 8.6, б, в, показывают возможность построения коммутирующих устройств переменного тока с применением диодов. Обе эти схемы отличаются простотой управления, но имеют недостатки, обусловленные источника питания с помощью выпрямительного диодного моста преобразуется в двухполупериодное пульсирующее напряжение одной полярности. В результате только один тиристор, включенный на выходе выпрямительного моста (в диагональ моста), становится способным управлять током в нагрузке в течение обоих полупериодов, если в начале каждого полупериода на его вход будут поступать управляющие импульсы. Выключение схемы происходит при ближайшем переходе тока нагрузки через нуль после прекращения подачи управляющих импульсов.
Следует иметь в виду, однако, что надежное выключение схемы обеспечивается лишь при минимальной индуктивности цепи на стороне выпрямленного тока. В противном случае даже при снижении напряжения в конце полупериода до нуля ток будет продолжать протекать через тиристор, препятствуя его выключению. Опасность аварийного режима работы схемы (невыключение) появляется также при увеличении частоты питающего напряжения. В этом случае может оказаться, что схемное время tс недостаточно для восстановления тиристором управляемости, т. е. tс<tqkq.
В схеме на рис. 8.6, в управление нагрузкой осуществляется двумя встречно включенными тиристорами, каждый из которых шунтирован в обратном направлении неуправляемым вентилем. Так как при таком соединении катоды тиристоров находятся под одним потенциалом, это позволяет использовать генераторы управляющих импульсов с одним выходом или с двумя выходами с общим заземлением. Принципиальные схемы таких генераторов значительно упрощаются. Кроме того, тиристоры в схеме на рис.8.6, в защищены от обратного напряжения и, следовательно, должны выбираться только по прямому напряжению. По габаритам, техническим характеристикам и экономическим показателям устройства, выполненные по схемам, приведенным на рис. 8.6, б, в, уступают коммутирующим устройствам, схемы которых показаны на рис.8.5 и 8.6, а. Тем не менее, они широко применяются в устройствах автоматики и релейной защиты, где коммутируемая мощность измеряется сотнями ватт. В частности, они могут быть использованы в качестве выходных устройств формирователей импульсов для управления тиристорными блоками более мощных устройств.