Комбинированные контактно-полупроводниковые аппараты

Комбинированные электрические аппараты  представляют собой устройства, содер­жащие одновременно контактную систему традиционных элек­тромеханических аппаратов и силовую схему на основе СПП, подключенную параллельно размыкаемым контактам. В резуль­тате такого механического объединения контакт­ных и бесконтактных коммутационных устройств в одной кон­струкции достигается сочетание преимуществ обоих ти­пов аппаратов и в то же время исключаются многие их недо­статки.

Принцип действия комбинированных аппаратов рассмотрим на простых устройствах (рис. 8.10), в которых используются диоды и тиристоры. Во всех приведенных силовых бло­ках СПП соединяются параллельно с одним из размыкаемых контактов. Напомним, что в электромеханических аппаратах падение напряжения на замкнутых контактах при номинальных токах не превышает десятых долей вольта. При таких напряже­ниях полупроводниковые приборы, соединенные параллельно с контактами, не перехо­дят  в состояние высокой проводимости и ток нагрузки через них практически не протекает. В процессе отключения аппарата соотношение сопротивлений контактной и полупроводниковой цепей изменяется, что приводит к перераспределению тока между ними. Сущность этого явления рассмотрим на примере отключения аппарата, выполненного по схеме  рис. 8.10, а.

Размыкание дугогасительных контактов S1 в схеме необхо­димо обеспечить в начале полупериода тока, полярность кото­рого совпадает с проводящим направлением диода VD. В этом случае напряжение на образующейся электрической дуге является прямым для диода. По мере увеличения расстояния между контактами и ин­тенсивности воздействия на электрическую дугу, например за счет перемещения ее в воздухе с большой скоростью под воз­действием электромагнитного поля, сопротивление межконтакт­ного промежутка растет и, следовательно, повышается напряже­ние на диоде. В результате создаются условия для переключе­ния его в проводящее состояние. Практически переход диода в проводящее состояние в аппаратах низкого напряжения про­исходит уже на стадии образования электрической дуги, так как околоэлектродное падение напряжения на ней намного превышает пороговое напряжение СПП. С этого момента времени ток в контактной цепи начинает быстро уменьшаться, а ток в по­лупроводниковой цепи  нарастает. Длительность переходного процесса, в течение которого коммутируемый ток полностью переходит в цепь диода и электрическая дуга гаснет, определя­ется в основном индуктивностью контуров, динамическими ха­рактеристиками используемого диода, способом воздействия на электрическую дугу. В оставшееся до конца полупериода время  завершаются деионизационные процессы в межконтакт­ном промежутке, восстанавливается его электрическая прочность. Окончательное пре­рывание тока в цепи осу­ществляется диодом непо­средственно за моментом времени, соответствую­щим изменению направле­ния тока. В течение време­ни, пока напряжение явля­ется обратным для диода, необходимо  разомкнуть вспомогательные контакты S2.

При включении аппарата последовательность замыкания контактов должна быть обратной: в непроводящий для диода полупериод напряжения необходимо замкнуть контакты отдели­теля S2, а в течение следующего полупериода – дугогасительные контакты S1. Характерным для режима включения является замыкание контактов S1 при малых напряжениях, определяемых падением напряжения на проводящем диоде. Вследствие этого исключаются предварительный пробой промежутка при сбли­жении контактов и связанные с ним явления эрозии и свари­вания контактов.

Но надо иметь в виду, что в комбинированных аппаратах существует опасность проявления этих же эффектов из-за вы­сокой скорости нарастания тока в контактах после их сопри­косновения.

Поэтому конструкции контактного устройства и привода должны обеспечивать форсированное увеличение кон­тактного нажатия до конечного значения.

Аппараты, выполненные по схеме на рис. 8.10, б, по прин­ципу действия и характеру протекающих процессов не отлича­ются  от  рассмотренных выше. Однако наличие двух диодных це­пей со встречным включением диодов позволяет осу­ществлять отключение в любой полупериод тока. В результате сокращается собственное и полное время отклю­чения аппарата.

К недостаткам этого варианта относятся увеличение вдвое числа СПП и существенное усложнение конструкции механиче­ской части аппарата. Так как синхронизированное размыкание контактов осуществляется в последовательности, определяемой направлением тока в момент подачи команды на отключение, аппарат должен содержать два независимых и быстродействую­щих привода. Жесткие требования предъявляются также к ста­бильности срабатывания приводов: они должны обладать ма­лым разбросом времени. Очевидно, что достижение высокого уровня функциональной надежности при таком исполнении си­ловой части аппарата представляет сложную задачу.

Значительное упрощение приводного механизма и аппарата в целом можно получить при отказе от синхронизации размыка­ния контактов с соответствующим полупериодом тока. В этом случае оба контакта, управляемые общим приводом, размыка­ются одновременно и в любую фазу тока. В результате на обеих контактных парах возникает электрическая дуга, но на одной из пар она гаснет из-за проявления шунтирующего дей­ствия диодной цепи. На других контактах, направление тока в которых не совпадает с проводящим направлением диодов в шунтирующей цепи, электрическая дуга поддерживается до конца полупериода (до изменения направления тока). Макси­мальная длительность воздействия дуги на контакты соответствует наиболее неблагоприятному ре­жиму, когда размыкание контактов происходит в относительно узком интервале времени перед прохождением тока через нуль. В этом случае процесс перехода тока из контактной цепи в ди­одную цепь не завершается или не успевает восстановиться электри­ческая прочность межконтактного промежутка, и он вновь пробивается в начале следующего полупериода.

Возможности комбинированных аппаратов могут быть суще­ственно расширены при замене неуправляемых СПП тиристорами (рис. 8.10, б). Полупроводниковая цепь в этом аппарате, выполненная по схеме с встречно-параллельным соединением тиристоров (см. рис. 8.5), подключена параллельно только од­ним дугогасительным контактам. Но способность тиристоров на­ходиться в закрытом состоянии при напряжении положительной полярности позволяет производить коммутационные операции в любой полупериод напряжения (тока).

Рассмотрим  взаимодейст­вие контактного узла и тиристорного блока в режиме включения аппарата. Учиты­вая большое различие в бы­стродействии контактной цепи и СПП, команды на их вклю­чение надо выдавать неодно­временно. Сначала должна поступить команда на включение привода контактов. По исте­чении определенного времени, равного собственному времени включения контактного аппарата, его контакты S1 замыкаются. С необходимым упреждением этого момента вре­мени системой управления выдается управляющий импульс  на тиристор VS1, для которого напряжение в рассматриваемом полупериоде является прямым. В результате включения тиристора напряжение на сходящихся контактах снижается до зна­чения падения напряжения на тиристоре в проводящем состоя­нии, т. е. до 1,5…2,5 В. После соприкосновения контактов тиристорная цепь быстро обесточивается, так как сопротивление контактной цепи намного меньше сопро­тивления тиристора.

При отключении аппарата последовательность работы кон­тактной и тиристорной цепи та же, что и в контактно-диодных аппаратах. Отличие состоит только в том, что в момент времени размыкания контактов  на тиристор VS2 дол­жен поступить управляющий импульс тока. Практически реализовать жесткую синхронизацию работы системы управле­ния тиристорным блоком с приводным механизмом контактов очень сложно. Поэтому в большинстве коммутационных уст­ройств такого типа управляющие импульсы на входы тиристоров подаются с упреждением размыкания контактов, учитываю­щим нестабильность работы во времени механической части аппарата.

Как и при использовании диодов, в контактно-тиристорных аппаратах размыкание контактов и восстановление электриче­ской прочности межконтактного промежутка должны завер­шаться до окончания полупериода. Если конструкция аппарата не обеспечивает синхронизированное отключение, контакты мо­гут разомкнуться в любой момент времени, в том числе и в кри­тической зоне полупериода перед прохождением тока через нуль, в котором ток не успевает перейти из контактной цепи в полу­проводниковую.

В этом случае необходимо, чтобы в начале следующего полупериода системой управления обеспечивалось включение тиристора с другим направлением проводи­мости.

Обобщая рассмотренные возможности создания комбиниро­ванных аппаратов, выделим наиболее важные их характери­стики.

Во всех вариантах исполнения комбинированных аппаратов СПП (диоды или тиристоры) при длительном номинальном ре­жиме не проводят ток, поэтому исключаются относительно боль­шие потери мощности, характерные для полупроводниковых аппаратов. Следовательно, по этому показателю комбинирован­ные аппараты не отличаются от обычных контактных.

В режимах изменения аппаратом коммутационных положе­ний с помощью СПП осуществляется шунтирование  межкон­тактных промежутков малым сопротивлением, свойственным для диодов и тиристоров в проводящем состоянии. Этим обеспе­чивается быстрое гашение электрической дуги, возникающей в процессе включения из-за дребезга контактов и при отклю­чении аппарата. Опыт эксплуатации комбинированных аппара­тов показывает, что при коммутации токов до 500 А длитель­ность горения дуги не превышает 100 мкс. В результате комбинированные аппараты обладают коммутационной износостойкостью, в 20…50 раз большей, чем у контактных.

Так как СПП в комбинированных аппаратах подвергаются кратковременному воздействию тока, имеется возможность мак­симально использовать их импульсную перегрузочную способ­ность.

При начальной температуре структуры (20 °С ) боль­шинство приборов допускает нагрузку однополупериодным им­пульсом тока синусоидальной формы длительностью 10 мс с амплитудой, превышающей значение среднего тока в 8…10 раз. Во многих случаях перегру­зочной способности по току используемых СПП достаточно для создания комбинированных аппаратов без параллельного соединения приборов в силовых блоках. При обеспечении размыкания контактов непосред­ственно перед критической зоной полупериода тока достига­ется наилучшее использование импульсной нагрузочной спо­собности СПП.

Необходимо также отметить, что при кратковременных токовых воздействиях выделяющееся тепло в структуре СПП не распространяется за пределы элементов конструкции, непосредственно к ней прилегающих. Поэтому отпадает необходимость не только в применении принудительного охлаждения, но и в самих охладителях.

В результате этого существенно упрощается конструкция силовой части полупроводникового блока уменьшаются его габариты и масса.