Электрический переключающий аппарат низкого напряжения. Классификация электрических аппаратов

Электрический аппарат - это электротехническое уст­ройство, которое используется для включения и отключе­ния электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребле­ния электроэнергии.

Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению, области применения, принципу дей­ствия, роду тока, исполнению защиты от воздействий окру­жающей среды, конструктивным особенностям и др. Ос­новной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств , слу­жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп­пе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагруз­ки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи, когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических печей).

2. Ограничивающие аппараты , предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядни­ки). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварий­ными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты , предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пус­катели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.

4. Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектри­ческих параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на схему автоматики. В датчиках непрерыв­ное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выход­ной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контро­лироваться как электрические, так и неэлектрические величины.

5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи пер­вичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измеритель­ных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стан­дартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансфор­маторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения.

6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие ап­параты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

Разделение аппаратов по областям применения более условно. Ап­параты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов.

По номинальному напряжению электрические аппараты разделя­ются на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным на­пряжением более 1000 В).

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам:

1. При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить зна­чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ.

При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди­намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

2. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

3. Контакты аппаратов, предназначенных для отклю­чений токов КЗ, должны быть рассчитаны на этот режим.

4. Изоляция электрических аппаратов должна выдер­живать перенапряжения, которые имеют место в эксплуа­тации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вслед­ствие осаждения пыли, грязи и влаги.

5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфиче­ских требований, обусловленных его назначением. Так, на­пример, выключатель высокого напряжения должен отключать ток КЗ за малое время (0,04-0,06 с). Трансфор­матор тока должен давать токовую и угловую погрешно­сти, не превышающие определенного значения.

6. В связи с широкой автоматизацией производствен­ных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе электрических аппаратов требует их резервирования и создания специальной систе­мы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов высокого напряжения приводит к боль­шим разрушениям и материальным потерям.

7. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, не­обходимые для установки и обслуживания электрических аппаратов, должны быть минимальными. Отвечающие со­временным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии.

8. Конструкция электрических аппаратов должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.

3.1 ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Переключение тиристора в проводящее состояние осуществляется подачей на его вход управляющего сигнала с определенной длительностью и амплитудой. После снятия управляющего импульса тиристор остается включенным неограниченно долго, если ток в анодной цепи его не снижается до величины, меньшей тока удержания I H , поэтому при использовании тиристоров в качестве коммутирующих элементов не только для замыкания, но и для размыкания цепей постоянного тока необходимо прибегать к искусственным мерам, обеспечивающим кратковременное прерывание тока в анодной цепи тиристоров или уменьшение его до значений

I A > I H .

Практически это может быть реализовано с помощью простых схем, приведенных на рисунке 3.1. В схеме (на рисунке 3.1, а ) отключение тока нагрузки осуществляется размыканием механического контакта S 1 , включенного последовательно с тиристором VS. По истечении времени, достаточного для восстановления управляемости тиристором, контакт S 1 может быть вновь замкнут. Цепь при этом остается разомкнутой, так как тиристор находится в выключенном состоянии. Аналогично схема работает при кратковременном шунтировании тиристора замыкаемым контактом S 2 , подсоединение которого на рисунке 3.1, показано штриховыми линиями.

В обоих случаях через механические контакты протекает полный ток нагрузки, и они должны быть на него рассчитаны. Недостатком подобных схем является также то, что тиристоры в них при возврате контактов в исходное состояние подвергаются воздействию прямого напряжения с высокими значениями du/dt .

Рисунок 3.1 −Принципиальные схемы тиристорных

аппаратов постоянного тока

Улучшенным вариантом исполнения коммутационного устройства является схема, приведенная на рисунке 3.1, б . Последовательность ее работы такова. В исходном состоянии тиристор закрыт, напряжение на нагрузке R H и конденсаторе C K отсутствует.

Включение схемы осуществляется управляющим сигналом, который необходимо подать на вход тиристора (управляющий электрод-катод). При этом, одновременно с током нагрузки I H =U/R H , через тиристор протекает ток зарядки конденсатора C K . Конденсатор заряжается с указанной на рисунке полярностью за время, определяемое постоянной времени цепи τ=R 1 C К .

Последующим замыканием контакта S заряженный практически до напряжения источника питания конденсатор C K подключается параллельно тиристору. Он начинает разряжаться. Причем ток разрядки протекает через тиристор в направлении, противоположном анодному току.

При превышении током i C анодного тока I H создаются условия для выключения тиристора и, следовательно, обесточивания нагрузки. Такой способ выключения тиристора, называемый принудительным (искусственным), емкостным, является предпочтительным, так как позволяет уменьшить время восстановления управляемости тиристора и скорость приложения напряжения в прямом направлении, непосредственно после коммутации тока.

На рисунке 3.1, в приведена еще одна схема тиристорного аппарата, иллюстрирующая применение емкостной искусственной коммутации. В отличие от схемы на рисунке 3.1, б конденсатор С К в ней, в исходном состоянии заряжен до напряжения источника питания. Поэтому при включении тиристора VS управляющим импульсом через него начинают протекать ток нагрузки и ток разряда конденсатора C K (рисунок 3.2). На втором полупериоде колебательной перезарядки конденсатора, когда ток i C , направленный встречно анодному току в тиристоре (току нагрузки), становится больше по значению, тиристор выключается (рисунок 3.2). Начиная с этого момента времени остаточное напряжение на конденсаторе C K действует согласно с напряжением источника питания, поэтому ток нагрузки резко увеличивается, а затем снижается по мере перезарядки конденсатора. Окончательное выравнивание тока в цепи происходит в момент времени t з , который соответствует окончанию перезарядки конденсатора.

Обратное напряжение на тиристоре поддерживается в течение времени t c = t 2 - t 1 . Это время называют схемным, так как оно обусловливается параметрами элементов схемы − в данном случае емкостью коммутирующего конденсатора C K и индуктивностью катушки L K .

В рассмотренных схемах (кроме рисунка 3.1) прерывание тока обеспечивается, по существу традиционными контактными аппаратами. Поэтому наличие в них тиристоров не дает никаких преимуществ. Что касается режима включения, то он осуществляется тиристорами, и в этом случае реализуются их возможности по быстродействию, готовности к работе и др.

Основное назначение таких аппаратов − подключение нагрузок с высокой точностью по времени, а также осуществление изменений параметров цепей (R, L, С ) при различных экспериментальных исследованиях переходных процессов, автоматическое подключение источников питания. Коммутационное устройство (рисунок 3.1, в ) наряду с прерыванием тока в цепи формирует импульсы тока (мощности). Это может быть использовано для регулирования выходной мощности по заданной программе, которая задается системой управления тиристором.

Рисунок 3.2 − Временные диаграммы работы схемы,

приведенной на рисунке 3.1

Параметры импульсов тока (амплитуда, длительность, форма) могут быть изменены за счет изменения напряжения источника питания и параметров элементов коммутирующего контура.

3.2 БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ТИРИСТОРНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Принудительная коммутация (выключение) тиристоров является основой работы полупроводниковых аппаратов постоянного тока и средством повышения быстродействия при отключении у аппаратов переменного тока. Существуют различные схемные решения, которые обеспечивают кратковременное снижение тока в цепи с тиристорами до нуля и их выключение. Но практическое применение в электрических аппаратах нашли только конденсаторные схемы принудительной коммутации, принцип действия которых рассмотрен на примере рисунка 3.1, б и в. Варианты построения схем принудительной коммутации и методики их расчета рассмотрены в работах. Здесь отметим, что по структуре, определяющей соединение элементов коммутирующего контура и подключение его к выключаемым тиристорам, узлы принудительной коммутации в аппаратах переменного тока и в аппаратах постоянного тока имеют существенные отличия. Однако принцип их работы, задачи и методы расчета элементов контура являются общими. Поэтому основные задачи проектирования подобных устройств рассмотрены ниже, на примере простой схемы выключателя постоянного тока (рисунок 3.3). По характеру протекающих процессов она практически не отличается от уже рассмотренной схемы на рисунке 3.1, б . Однако замена механического контакта дополнительным тиристором VS2 позволяет существенно улучшить коммутационные характеристики аппарата и делает его более чувствительным к управлению.

Из рисунка видно, что вспомогательный (коммутирующий) тиристор VS 2 может быть включен либо от анодного напряжения (замыканием кнопки «Стоп»), либо напряжением, снимаемым с измерительного резистора - шунта R ш . В последнем случае напряжение на шунте должно превысить значение, равное U=U GT +U F +U C , где U GT − напряжение управления, достаточное для надежного включения тиристора VS 2 ; U F − падение напряжения на диоде VD 2 и U C − напряжение стабилизации (переключения) стабилитрона VD 1 .

В аварийных режимах работы, сопровождающихся многократным увеличением тока по отношению к номинальному, отключение цепи осуществляется автоматически при включении тиристора VS 2 . Регулированием сопротивления R ш и подбором стабилитрона по параметру U C можно заранее задать значение тока перегрузки или тока короткого замыкания (КЗ), при которых произойдет отключение выключателя. Причем высокое быстродействие выключателя позволяет прервать ток КЗ задолго до того момента, когда он достигнет максимального значения.

В оперативном режиме включение и отключение номинальных токов производятся замыканием управляющих цепей тиристоров VS 1 и VS 2 , соответственно кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Ограничение тока в управляющих цепях тиристоров осуществляется резисторами R Y . Работа схемы в этом режиме при активной нагрузке поясняется временными диаграммами на рисунке 3.4

Рисунок 3.3 − Автоматический тиристорный

выключатель

Для надежного выключения тиристора VS 1 необходимо, чтобы схемное время t с , показанное на графике изменения напряжения u VS 1 =f(t) , было больше времени выключения тиристора. В противном случае тиристор может вновь перейти в проводящее состояние под воздействием прямого напряжения, которое прикладывается к нему в процессе перезарядки конденсатора (см. также рисунок 3.2).

Минимальную емкость конденсатора, обеспечивающую поддержание обратного напряжения на тиристоре VS 1 в течение времени t с , можно определить из анализа коммутационных процессов, происходящих непосредственно после включения тиристора VS 2 .

Предполагая, что запирающая способность тиристора VS 1 в обратном направлении восстанавливается мгновенно (обратный ток i R отсутствует), уравнение разрядки конденсатора после включения тиристора VS 2 запишем в виде

где U − напряжение источника питания;

i − ток через последовательно соединенные R н C K , VS 2 .

Рисунок 3.4 − Электромагнитные процессы при отключении

выключателя постоянного тока

Решение этого уравнения известно:

Напряжение на конденсаторе С к , являющееся одновременно и напряжением на тиристоре VS 1 , находится интегрированием выражения (3.1):

В момент времени t = t 2 - t 1 = t c напряжение на тиристоре VS 1 равно нулю, и, следовательно, из выражения (3.2) получаем

Прологарифмировав это выражение, можно определить соотношение между емкостью конденсатора С к и схемным временем

Учитывая, что взаимосвязь между сопротивлением R Н и то­ком в коммутируемой цепи I К при напряжении источника Uвыражается формулой U= R Н I К, последнее уравнение можно переписать так

Надежное выключение тиристора VS 1 , обладающего временем выключения, равным t q , будет при t с >> t q k q , где k q = 1,5...2 − коэффициент, учитывающий изменение t q при несовпадении температуры PN -структуры, коммутируемого тока, обратного напряжения и скорости приложения прямого напряжения с классификационными значениями. Следовательно, минимальная емкость коммутирующего конденсатора должна удовлетворять условию

Если нагрузка активно-индуктивная, то для обеспечения рассеяния энергии, запасенной в индуктивных элементах к моменту прерывания тока, она должна шунтироваться диодом, как это показано на рисунке 3.3 штриховой линией. Расчет С К в этом случае основывается на допущении, что ток нагрузки в течение всего интервала коммутации остается неизменным. Конденсатор С К при этом будет разряжаться с постоянной скоростью, и напряжение на нем изменяется согласно уравнению

Как и при активной нагрузке, схемное время t с определяется промежутком времени, по прошествии которого обратное напряжение на тиристоре снижается до нуля. Следовательно, при подстановке в выражение (3.5) t с вместо t имеем t с t К /C K = 0 . С учетом условия t с ≥ t q k q из этого выражения непосредственно вытекает формула для определения минимальной емкости конденсатора:

Следует подчеркнуть, что выражения (3.4) и (3.6) получены без учета индуктивностей и активных сопротивлений, которыми обладают элементы контура, в том числе и соединительные провода. Эти сопротивления ограничивают максимальное значение тока в коммутирующем контуре и скорость его нарастания.

Однако, если аппарат предназначен для отключения аварийных токов, собственная индуктивность элементов контура является недостаточной для ограничения di/dt до значений, выдерживаемых низкочастотными тиристорами. В этом случае необходимо последовательно с коммутирующим тиристором включать дополнительно реактор индуктивностью L К (на рисунке 3.3 это соответствует переведению переключателя S в положение 2). Параметры элементов контура коммутации при шунтировании силового тиристора VS 1 обратно включенным диодом определяются выражениями

где Uc 0 − напряжение предварительной зарядки конденсатора.

Максимальная скорость нарастания тока в коммутирующем контуре, которая обусловливает выбор группы тиристора VS2 по (di/dt) crit , определяется формулой

di/dt = (Uc 0 /L К) 10 6 .

Обращаясь к диаграммам переходных процессов (рисунок 3.4), выделим характерные для выключателей с емкостной коммутацией тиристоров особенности.

1. При включении коммутирующего тиристора источник питания и заряженный до напряжения источника конденсатор оказываются соединенными последовательно. Это вызывает скачкообразное увеличение тока в цепи до значения I Н =2U/R Н , что неблагоприятно сказывается на нагрузке, особенно при отключении аварийных токов.

2. Интервал времени t = t 3 – t 1 , в течение которого конденсатор С К перезаряжается, определяет быстродействие выключателя при отключении и частоту коммутаций. При повторном включении тиристора VS 1 конденсатор вновь должен перезарядиться и тем самым обеспечить готовность к последующему отключению аппарата. Для сокращения времени перезарядки конденсатора С К, что важно при работе выключателя в режиме АПВ, необходимо уменьшать постоянную цепи зарядки τ = R 1 С К . Учитывая, что емкость С К обусловлена схемным временем t с , это можно достичь уменьшением сопротивления резистора R 1 .

3. Процесс отключения тока в цепи нагрузки заканчивается выключением тиристора VS 2 . Для этого необходимо обеспечить ограничение тока резистором R 1 (после перезарядки конденсатора С К ) до значений I ≤ I Н тиристора. Ввиду того, что ток удержания мощных тиристоров составляет десятки или сотни миллиампер, сопротивление резистора R 1 должно быть достаточно большим что противоречит сформулированному в п. 2 требованию. Поэтому, чтобы не снизить частоту коммутаций выключателя, зарядка конденсатора С К осуществляется обычно с помощью дополнительной зарядной цепи с малой постоянной времени τ от автономного источника питания.

4. Важной задачей при создании выключателей с емкостной коммутацией тиристоров является ограничение перенапряжений, возникающих на конденсаторе С К . В зависимости от параметров коммутируемой цепи и режима короткого замыкания они могут превышать значение (1,5...2)U . Для ограничения уровня перенапряжений до приемлемых значений необходимо использовать различные демпфирующие цепи, полупроводниковые или оксидно-цинковые (варисторы) нелинейные ограничители. В некоторых разработках целесообразным становится применение двухконтурных или двухступенчатых коммутирующих узлов, с помощью которых реализуется снижение скорости спада тока, в процессе его отключения и существенное уменьшение перенапряжений.

Если аппарат (см. рисунок 3.3) предназначен для оперирования только с номинальными токами при постоянных параметрах нагрузки, сложности с перенапряжениями и кратковременным увеличением тока не возникают. В этом случае без принципиальных изменений схема может быть использована для реализации многих других функций. Например, при замене зарядного резистора R 1 второй нагрузкой она способна выполнять функции быстродействующего коммутатора, т. е. поочередно подключать нагрузки к источнику питания. При равенстве сопротивлений нагрузок эта же схема является симметричным триггером, который может быть использован для управления электромагнитами, реле или любыми другими исполнительными органами. При этом принцип действия схемы независимо от того, какие функции она выполняет, остается неизменным.

3.3 СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В АППАРАТАХ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Перенапряжения в процессе отключения аппарата обусловлены, в основном колебательным характером перезарядки коммутирующего конденсатора. Уровень их зависит от параметров отключаемой цепи и динамических характеристик, используемых в силовой цепи СПП. Так как перенапряжения определяют требования к изоляции защищаемого оборудования и изоляции самих аппаратов, влияют на габариты, стоимость и надежность работы систем электроснабжения в целом, необходимо стремиться к их понижению.

В тиристорных аппаратах с емкостной коммутацией ограничение перенапряжений может быть достигнуто различными способами. Наиболее простой из них заключается в подключении параллельно конденсатору, на определенном этапе его перезарядки, линейного или нелинейного резистора. Сущность такого подхода заключается в демпфировании колебаний за счет увеличения коэффициента их затухания. Эффективность этого способа показана на основе анализа коммутационных процессов в выключателе переменного тока. В выключателях постоянного тока использование линейных резисторов для шунтирования конденсаторов С К связано с необходимостью введения в схему дополнительного коммутационного узла (обычно тиристорного), обеспечивающего прерывание тока в резисторе.

Один из возможных вариантов исполнения выключателей с двухступенчатой коммутацией тока показан на рисунке 3.5. Готовность к отключению в схеме этого аппарата обеспечивается предварительной зарядкой конденсатора С К от сети с указанной на рисунке 3.5 полярностью. Для этого необходимо включить тиристоры VS 2 и VS 5 , подав на их входные цепи (управляющий электрод - катод) управляющие сигналы. Ток зарядки конденсатора С К протекает через элементы схемы L 1 , L 2 , R l , VS 5 , С К , перемычку П, VS 2 , L 3 . По мере зарядки конденсатора ток в цепи тиристоров VS 2 , VS 5 уменьшается и, когда он становится меньше тока удержания, тиристоры самостоятельно выключаются. При длительном номинальном режиме напряжение на конденсаторе С К постепенно уменьшается из-за несовершенства собственной изоляции и вследствие утечки заряда через подключенные к конденсатору цепи с тиристорами. Для предотвращения значительного снижения напряжения, система управления должна обеспечивать периодическое включение тиристоров VS 2 и VS 5 . В результате на конденсаторе С К будет автоматически поддерживаться постоянное напряжение, равное практически напряжению сети. Реакторы L 1 , L 2 , L 3 в схеме необходимы для ограничения скорости нарастания тока при включении тиристоров и реализации колебательного режима переходных процессов.

При возникновении короткого замыкания и достижении током значения уставки I у (рисунок 3.6) системой управления включаются тиристоры VS 3 и VS 4 . В результате, как и во всех рассмотренных ранее схемах, выключается тиристор VS 1 . После изменения полярности напряжения на конденсаторе и повышения его до заданного значения U m 1 системой управления выдается сигнал на включение тиристора VS 5 . При этом параллельно конденсатору подключается резистор R 1 , способствующий ограничению дальнейшего повышения напряжения на конденсаторе С К . Начиная с этого момента напряжение на конденсаторе уменьшается вместе с уменьшением коммутируемого тока.

Разрядка конденсатора осуществляется через тиристор VS 3 , а после его выключения − через диод VD 1 . Второй этап коммутационных процессов начинается непосредственно после выключения тиристора VS 3 и снижения тока до значения, определяемого общим сопротивлением внешней цепи и резистора R 1 .

Рисунок 3.5 – Тиристорный выключатель с

двухступенчатой коммутацией тока

Рисунок 3.6 – Коммутационные процессы в схеме (рисунок 3.5)

В этот момент времени (t 2 , на рисунке 3.6) системой управления включается тиристор VS 2 , и ток начинает протекать по цепи R l , VS 5 , С К, П, VS 2 и VD 2 . В результате, напряжение на конденсаторе вновь изменяет полярность. По достижении им значения U m 2 в момент времени t 3 ток в нагрузке полностью прерывается.

Так как полярность напряжения на конденсаторе после отключения соответствует исходному состоянию, выключатель готов к повторному срабатыванию. Причем в рассматриваемом случае, который соответствует индуктивному характеру нагрузки, напряжение на конденсаторе значительно превышает напряжение сети. При активной нагрузке напряжение на конденсаторе не достигает значения U m 1 поэтому нет необходимости включать тиристоры VS 5 и VS 2 . В этом случае и после отключения тока остаточное напряжение на конденсаторе U C < U . Для обеспечения готовности к работе конденсатор необходимо дозарядить.

К достоинствам принципиальных схем с двухступенчатой коммутацией тока следует отнести оптимальное использование конденсаторов, более высокое быстродействие и частоту включений. Однако это достигается значительным усложнением коммутирующего узла и системы управления, которая должна реагировать на многие параметры переходного процесса и обеспечивать определенную последовательность включения тиристоров.

Другая возможность создания аппаратов постоянного тока с низкими коммутационными перенапряжениями и простой структурой связана с разработкой и освоением запираемых тиристоров. Основная отличительная особенность этих приборов по сравнению с обычными тиристорами состоит в их способности выключаться импульсом тока в цепи управления. Принципиальная возможность разработки таких приборов была обоснована еще в 50-х годах, и уже в 60-х годах промышленность освоила приборы, способные коммутировать токи до 5А при напряжении 100...200В. Быстрый прогресс в создании запираемых тиристоров большой мощности наблюдается с начала 80-х годов. В настоящее время рядом зарубежных фирм и в Росси выпускаются приборы этого типа на токи в сотни ампер и напряжение свыше 1000 В. В литературных источниках сообщается о разработках запираемых тиристоров с предельными параметрами по току и напряжению, сравнимыми с параметрами обычных тиристоров.

Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора показана на рисунке 3.7. Отключение его иллюстрируется осциллограммами изменения анодного тока I А , напряжения на тиристоре U А и импульсного тока управления отрицательной полярности i G (рисунок 3.8).

Важным преимуществом схемы на рисунке 3.7 перед ранее рассмотренными является то, что в ней содержится только один сильноточный прибор − запираемый тиристор VS 1 . Управление им осуществляется разнополярными импульсами напряжения. При включении импульс положительной полярности (по отношению к катоду) подается от внешнего генератора импульсов на зажимы 1. Через токоограничивающий резистор R 2 этот импульс поступает на управляющий электрод тиристора VS 1 . Сам процесс включения запираемого тиристора протекает так же, как и у тиристора обычного исполнения (незапираемого).

Для выключения тиристора, на его управляющий электрод надо подать импульс напряжения отрицательной полярности. В приведенной на рисунке 3.7 схеме он формируется электрической цепью, выполненной на основе маломощного тиристора VS 2 . При поступлении на управляющий электрод тиристора импульса напряжения от внешнего генератора импульсов он включается. При этом предварительно заряженный от источника питания E G конденсатор С 2 (полярность зарядки указана на рисунке) разряжается на входную цепь запираемого тиристора VS 1 в направлении от катода к управляющему электроду.

Параллельно подключенная к тиристору VS 1 цепь, состоящая из диода VD 1 , резистора R 1 и конденсатора С 1 , выполняет защитные функции. В цепях с активной нагрузкой она предназначена для ограничения скорости нарастания восстанавливающегося напряжения. Как видно из осциллограммы i А = f(t) (рисунок 3.8), ток, примерно равный 200А, прерывается тиристором за время меньше микросекунды. Без принятия специальных мер это вызвало бы практически мгновенное восстановление сетевого напряжения на тиристоре.

Запираемые тиристоры, как и другие СПП, чувствительны к эффекту (du/dt) cr it , поэтому необходимо ограничивать скорость нарастания напряжения до значений, допустимых для используемого прибора. В схеме на рисунке 3.7 нарастание напряжения на тиристоре при его выключении определяется скоростью зарядки конденсатора С 1 , т. е. обеспечивается временной сдвиг между спадом тока в цепи и нарастанием напряжения на приборе.

Рисунок 3.7 − Принципиальная схема аппарата постоянного тока на основе запираемого тиристора

Рисунок 3.8 − Диаграммы изменения тока и напряжения

при выключении запираемого тиристора

Резистор R 1 в процессе зарядки конденсатора зашунтирован (закорочен) диодом, который в данном случае смещен в прямом направлении. Поэтому постоянная времени зарядки конденсатора определяется только сопротивлением соединительных проводов, собственным сопротивлением и индуктивностью конденсатора и дифференциальным сопротивлением диода. На осциллограмме (рисунок 3.8) изменение дифференциального сопротивления диода и индуктивность элементов защитной цепи проявляются кратковременным всплеском восстанавливающегося напряжения в момент времени, соответствующий началу спада анодного тока.

При включении запираемого тиристора конденсатор С 1 , который заряжен до напряжения источника питания, разряжается через резистор R 1 , так как диод VD 1 при этом оказывается смещенным в обратном направлении. Таким образом обеспечивается защита тиристора от превышения допустимой для него скорости нарастания тока при включении. Отметим, что емкость конденсатора защитной цепи, обеспечивающая нормальный режим работы запираемого тиристора в цепи с активной нагрузкой, составляет единицы микрофарад. В частности, приведенные на рисунке 3.8 осциллограммы получены при следующих параметрах цепи:

U А = 200 В; R Н =2 Ом; U G = 12 В; R 1 = 20 Ом; С 1 = 2 10 -6 Ф .

Резкое прерывание тока запираемым тиристором при отключении индуктивной нагрузки сопровождается не только высокой скоростью восстановления напряжения, но и многократными перенапряжениями. Для ограничения перенапряжений можно использовать защитную цепь с той же структурой (см. рисунок 3.7). Однако емкость конденсатора С 1 в этом случае может составить десятки и даже сотни микрофарад.

Если активное сопротивление нагрузки мало и рассеянием энергии в ней в процессе зарядки конденсатора можно пренебречь, то ориентировочно емкость конденсатора можно определить из равенства энергий

где L Н − индуктивность нагрузки, Гн;

I − отключаемый ток, А;

U max − максимально допустимое напряжение, В.

Для сравнения с режимом отключения активной нагрузки рассчитаем емкость конденсатора С 1 , необходимую для ограничения восстанавливающегося напряжения на уровне U max = 1,5U при отключении цепи с индуктивностью L H =10 -3 Гн :

Воспользовавшись выражением (3.6), определим емкость конденсатора, которая потребовалась бы для отключения этой же цепи выключателем с емкостной искусственной коммутацией (см. рисунок 3.3), выполненной на основе тиристора Т123-200 (t q = 250∙10 -6 с):

Сопоставляя полученные значения С 1 и С К , можно сделать заключение о их соизмеримости. Но надо иметь в виду, что выражение (3.6) определяет лишь условие достаточности емкости конденсатора для надежного выключения тиристора. Оно не учитывает возникающие при этом перенапряжения. Если выбор емкости С К производить с учетом ограничения перенапряжений, числовое значение ее будет намного больше. С другой стороны, при расчете емкости С К не учитывались потери энергии в элементах схемы в процессе зарядки конденсатора и реальная скорость изменения тока при запирании тиристора (-di/dt < ∞ ). Эти факторы способствуют уменьшению амплитуды восстанавливающегося напряжения.

3.4 ОСНОВНЫЕ ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

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 рисунке 3.9 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 рисунке 3.9) является основой коммутирующего устройства, его исполнительным органом. Он может быть выполнен на базе только управляемых вентилей - тиристоров или с использованием диодов. При проектировании аппарата на ток, превышающий предельное значение тока одного прибора, требуется их параллельное соединение. При этом должны приниматься специальные меры, устраняющие неравномерность распределения тока по отдельным приборам, которая обусловлена не идентичностью их вольтамперных характеристик в проводящем состоянии и разбросом времени включения.

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 (см. рисунок 3.9), на основе симметричного тиристора (симистора) (рисунок 3.10, а ) и в различных сочетаниях тиристоров и диодов (рисунок 3.10, 6 и в ). В каждом конкретном случае при выборе варианта схемы должны учитываться следующие факторы: параметры по напряжению и току разрабатываемого 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.

Рисунок 3.9 − Структурная схема тиристорного аппарата

переменного тока

Рисунок 3.10 − Силовые блоки аппаратов переменного тока

Сравнение приведенных на рисунке 3.9 и 3.10 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. Тиристоры таблеточной конструкции обладают более высокой термоцикличностью. Поэтому схему с использованием симисторов можно рекомендовать для коммутации токов, не превышающих, как правило, классификационное значение тока единичного прибора, т. е. когда не требуется групповое их соединение. Отметим, что применение симисторов способствует упрощению системы управления силовым блоком, должен содержать выходной канал на полюс аппарата.

Схемы, изображенные на рисунке 3.10, б , в , иллюстрирует возможность проектирования коммутирующих устройств переменного тока с применением диодов. Обе эти схемы отличаются простотой управления, но имеют недостатки, обусловленные применением большого числа приборов. В схеме на рисунке 3.10, б переменное напряжение 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 генерирования 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 (не выключение) появляется также при увеличении частоты питающего напряжения. В этом случае может оказаться, что схемное время t C недостаточно для восстановления тиристором управляемости, т. е. t C < .

В схеме, на рисунке 3.10 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 рисунке 3.10, 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 рисунке 3.10, б, в , уступают коммутирующим устройствам, схемы которых показаны на рисунках 3.9 в , 3.10, 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.

Через каждый тиристор в схемах, приведенных на рисунках 3.9 и 3.10, в , протекает половина тока нагрузки. Отношение между средним током через тиристор (классификационный ток СПП, указываемый в технических условиях) и действующим током в цепи нагрузки равно

Соответственно средний ток, протекающий через тиристор, если его выразить через ток в нагрузке, запишется так

Аналогично средний ток, протекающий через тиристор в схеме на рисунке 3.10, б , определяется равенством

Симметричные тиристоры, проводящие ток в обоих направлениях, классифицируются по действующему току. Поэтому для схемы на рисунке 3.10, а

3.5 ТИРИСТОРНЫЙ КОНТАКТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УПРАВЛЕНИЕМ ОТ АНОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в силовой части могут выполнять различные функции. Так, тиристорный блок, выполненный по схеме на рисунке 3.9, одинаково успешно может работать и в качестве контактора, и в качестве выключателя. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается расширение области применения аппаратов по току или напряжению. Существенно можно повлиять на работу схемы и с помощью системы управления, что будет показано на примере работы тиристорного контактора

Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-параллельным соединением тиристоров VS 1 и VS 2 . Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R 1 , R 2 , R 3 и механического контакта S. Эта цепь подключена параллельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряжение на ее элементах, и в частности на резисторах R 1 и R 3 , изменяется синхронно с анодным напряжением на тиристорах. А так как эти резисторы подключены параллельно управляющим цепям тиристоров, то напряжение одной полярности одновременно нарастает и на аноде тиристора, и на его управляющем электроде.

Если это напряжение является положительным, например, по отношению к тиристору VS 1 и снимаемое с резистора R 1 напряжение превышает значение отпирающего напряжения, тиристор VS 1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тиристора VS 2 , диоды VD 1 и VD 2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.

Регулируемый резистор R 2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения I Gmax .

Рисунок 3.11 − Контактор переменного тока

Учитывая, что контакт S может быть замкнут в интервале полупериода в любой момент времени, в том числе и в момент достижения напряжением сети амплитудного значения U m , сопротивление резистора определяем из выражения

где R G − собственное сопротивление управляющей цепи тиристора.

Изменением сопротивления резистора R 2 можно управлять током во входных цепях тиристоров и, следовательно, моментом включения их по отношению к началу полупериода напряжения. В результате контактор становится способным выполнять еще одну функцию − регулирование тока в нагрузке. Предельный угол задержки включения тиристоров α max , который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90 º .

Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи, посредством изменения угла задержки включения тиристора, называют фазовым регулированием. Зависимости изменения напряжения на активной нагрузке и тока в ней от угла для рассматриваемой схемы определяются выражениями.

где 0< ≤90 °.

Минимальный угол задержки включения тиристоров при активной нагрузке ≈2 ° . Это объясняется тем, что все тиристоры имеют порог чувствительности по управляющей цепи и, кроме того, изменяющееся по синусоидальному закону анодное напряжение тоже должно превысить пороговое значение U(ТО), по крайней мере, в два раза. Эти факторы приводят к появлению бестоковых пауз в кривой тока нагрузки t п .

Из-за разброса характеристик управления тиристоров эти паузы могут быть неодинаковы по длительности, что приводит к появлению постоянной составляющей в токе нагрузки. При необходимости углы задержки включения тиристоров выравнивают регулированием токов управления посредством изменения сопротивления построечных резисторов R 1 и R 3 (см. рисунок 3.11).

Если есть необходимость расширить диапазон регулирования тока в нагрузке, то управляющие схемы выполняются с использованием RС -цепей (рисунок 3.12 а ).

Когда анодное напряжение на тиристоре становится положительным, конденсатор С перезаряжается через переменный резистор R и нагрузку от напряжения, равного – U m , до напряжения U GT , при котором происходит включение тиристора VS 1 (рисунок 3.12 б ). Изменяя постоянную цепи зарядки конденсатора τ = (R+R H)C посредством регулируемого резистора R, можно обеспечить задержку включения тиристора относительно максимального анодного напряжения, т.е. на угол > 90 ◦.

Выражения, определяющие изменение среднего и действующего напряжения на нагрузке, в зависимости от угла задержки включения тиристора, имеют соответственно вид

а − схема регулирования; б − временная характеристика

регулирования

Рисунок 3.12 − Принцип действия схемы управления на RС -цепях

Применяемый в рассмотренных схемах способ управления тиристорами является одним из самых простых и надежных, так как реализуется минимальным числом элементов в управляющих цепях. Вместе с тем непосредственная связь управляющего электрода и анода тиристора дает возможность обеспечить выполнение и других требований, которые предъявляются к системам управления: автоматически осуществляется жесткая синхронизация поступления управляющих сигналов с моментом возможного включения тиристоров; потери мощности на управление незначительны, так как длительность воздействия тока управления регулируется самим тиристором.

Как только он переключается в проводящее состояние, управляющая цепь оказывается зашунтированной малым сопротивлением (сопротивлением тиристора в проводящем состоянии) и ток в ней уменьшается практически до нуля.

Благодаря отмеченным факторам, схемы управления тиристорами с питанием от анодного напряжения широко применяются в аппаратах низкого напряжения. В частности, с использованием этого принципа управления отечественная промышленность выпускает тиристорные станции управления типа БСЭ, регуляторы яркости ламп накаливания, тиристорные пускатели типа ПТ в трехполюсном исполнении на номинальный ток до 63 А.

3.6 КОМБИНИРОВАННЫЕ КОНТАКТНО - ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АППАРАТЫ

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

Принцип действия комбинированных аппаратов рассмотрим на простых устройствах (рисунок 3.13), 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 СПП, соединенные параллельно с контактами, не переходят в состояние высокой проводимости и ток нагрузки через них практически не протекает.

Рисунок 3.13 − Силовые блоки комбинированных аппаратов

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 рисунка 3.13, а . Размыкание дугогасительных контактов S 1 в схеме необходимо обеспечить в начале полупериода тока, полярность которого совпадает с проводящим направлением диода VD (в интервале времени t 2 < t< t 3 , на рисунке 3.14). 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 приэлектродное 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 t = t 4 − t 3 завершаются деионизационные процессы в межконтактном промежутке, восстанавливается его электрическая прочность.

Окончательное прерывание тока в цепи осуществляется диодом непосредственно за моментом времени t 4 , соответствующим изменению направления тока. В течение времени, пока напряжение является обратным для диода, необходимо разомкнуть вспомогательные контакты S 2 .

Заметим, что для иллюстрируемого (рисунок 3.14) случая отключения цепи с активно- индуктивной нагрузкой это время меньше полупериода. В пределе оно может быть равным 5 мс, что приводит к необходимости использования быстродействующих приводов.

Рисунок 3.14 − Диаграммы коммутационных процессов

в контактно-диодном аппарате

При включении аппарата последовательность замыкания контактов должна быть обратной: в непроводящий для диода полупериод напряжения необходимо замкнуть контакты отделителя S 2 , а в течение следующего полупериода − дугогасительные контакты S 1 .

Характерным для режима включения является замыкание контактов S 1 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 рисунке 3.13, б , по принципу действия, характеру протекающих процессов, не отличаются от рассмотренных выше. Однако наличие двух диодных цепей с встречно − ориентированной проводимостью позволяет осуществлять отключение в любой полупериод тока. В результате сокращается 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, равная примерно 11 мс, 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 не завершается или не успевает восстановиться электрическая прочность межконтактного промежутка, он вновь пробивается в начале следующего полупериода.

При большом числе отключений размыкание контактов S 1 и S 2 происходит с равной вероятностью как в интервале положительного, так и в интервале отрицательного полупериодов; тот же закон определяет распределение момента размыкания контактов в пределах каждого полупериода. В результате длительность воздействия электрической дуги на контакты уменьшается и, как следствие, увеличивается коммутационный ресурс аппарата. Причем, по сравнению с аналогичными аппаратами без шунтирующих диодных цепей, в которых гашение электрической дуги обеспечивается за один полупериод, увеличение ресурса составляет не менее 150 %.

Возможности комбинированных аппаратов могут быть существенно расширены при замене неуправляемых СПП тиристорами (рисунок 3.13, в ).

Полупроводниковая цепь в этом аппарате, выполненная по схеме с встречно-параллельном соединением тиристоров (см. рисунок 3.9), 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).

Рисунок 3.15 − Переходные процессы в контактно –тиристорном аппарате

Рассмотрим взаимодействие контактного узла и тиристорного блока в режиме включения аппарата. Учитывая большое различие в быстродействие контактной цепи и СПП, команды на их включение надо выдавать не одновременно. Сначала должна поступить команда на включение привода контактов. По истечении определенного времени, равного собственному времени включения контактного аппарата, его контакты S 1 замыкаются. На рисунке 3.15 момент соприкосновения контактов соответствует времени t 2 .

С необходимым упреждением этого момента времени системой управления выдается управляющий импульс I G 1 на тиристор VS 1 , 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 дифференциального 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 рисунке 3.15) на тиристор VS 2 должен поступить управляющий импульс тока I G 2 . 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 500А 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±5)°С большинство приборов допускает нагрузку однополупериодным импульсом тока синусоидальной формы, длительностью 10 мс с амплитудой, превышающей значение среднего (классификационного) тока в

8 − 10 раз. Например, диоды типа Д253-1600 способны выдерживать ток без ухудшения характеристик с амплитудой 12 кА. С уменьшением длительности импульса до 2 мс допустимая амплитуда тока возрастает примерно в три раза. В аварийных режимах, число которых за время работы СПП должно ограничиваться единицами, амплитуда тока увеличивается соответственно до 28 кА при длительности импульса 10 мс и до 44 кА − при 2 мс.

Во многих случаях указанная перегрузочная способность достаточна 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.

Важным обстоятельством является и то, что при кратковременных токовых воздействиях выделяющаяся теплота 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 существенно упрощается конструкция полупроводникового блока, уменьшаются его масса и габариты.

Отмеченные положительные особенности комбинированных аппаратов определили интенсивное их развитие. К настоящему времени разработаны и выпускаются промышленностью несколько вариантов таких аппаратов, отличающихся как по конструктивному исполнению контактных и полупроводниковых частей, так и по способу управления тиристорами. Схема одного из вариантов комбинированного контактора с системой управления, питающейся от трансформатора тока, приведена на рисунке 3.16 .

Рисунок 3.16 − Принципиальная схема комбинированного

контактора

Полупроводниковый блок в ней подсоединен параллельно цепи, состоящей из контактов S и последовательно включенной с ними первичной обмотки трансформатора тока ТА . Две вторичные обмотки трансформатора через диоды, согласующие полярность управляющего и анодного напряжения, замкнуты на управляющие цепи тиристоров. При включенных контактах S через них, следовательно через первичную обмотку трансформатора тока, протекает синусоидальный ток

Во вторичных обмотках трансформатора ток в общем случае будет несинусоидальным из-за нелинейности сопротивления управляющей цепи тиристоров и влияния стабилитронов, которые защищают эти обмотки от превышения допустимого напряжения. При номинальном токе в цепи контакторов тиристоры не должны включаться. Это обеспечивается выбором параметров таким образом, чтобы суммарное падение напряжения на первичной обмотке трансформатора и замкнутых контактах не превышало пороговое напряжение U (TO) используемых силовых тиристоров.

При протекании сквозных токов короткого замыкания напряжений между точками присоединения тиристорного блока к главной цепи значительно увеличивается и создаются условия для включен

Р А З Д Е Л 2

Работа 2

ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Цель работы

Изучить конструкцию, маркировку основных типов предохранителей с плавкой вставкой, применяемых для защиты электрических цепей и установок в сельскохозяйственном производстве.

Усвоить методику расчёта и выбора предохранителей.

Задание к работе

1. По методическим указаниям и набору предохранителей изучить конструкцию и маркировку плавких предохранителей.

2. По заданию преподавателя произвести расчёт плавкой вставки и выбрать тип предохранителя для электроустановки или распределительной сети.

Общие сведения

Предохранители – это коммутационные электротехнические изделия, используемые для защиты электрической сети от сверхтоков и токов короткого замыкания. Принцип действия предохранителей основан на разрушении специально предназначенных для этого токоведущих частей (плавких вставок) внутри самого устройства при протекании по ним тока, величина которого превышает определенное значение.

Плавкие вставки являются основным элементом любого предохранителя. После перегорания (отключения тока) они подлежат замене. Внутри плавкой вставки располагается плавкий элемент (именно он и перегорает), а также дугогасительное устройство. Плавкая вставка чаще всего изготавливается из фарфорового или фибрового корпуса и крепится в специальные токопроводящие части предохранителя. Если предохранитель предназначен на малые токи, то плавкая вставка для него может не иметь корпуса, т.е. быть бескорпусной. К основным характеристикам плавких ставок предохранителя можно отнести: номинальный ток, номинальное напряжение, отключающая способность.

Также к элементам предохранителя относятся:

– держатель плавкой вставки – съемный элемент, главное предназначение которого удерживать плавкую вставку;

– контакты плавкой вставки – часть предохранителя, которая обеспечивает электрическую связь между проводниками и контактами плавкой вставки;

– боек предохранителя – специальный элемент, задача которого при срабатывании предохранителя воздействовать на другие устройства и контакты самого предохранителя.

Все предохранители делятся на несколько десятков видов:

– по конструкции плавких вставок предохранители бывают разборные и неразборные. У разборных предохранителей можно заменять плавкую вставку после ее перегорания, у неразборных предохранителей это сделать не получится;

– по присутствию наполнителя. Бывают предохранители с наполнителем и без наполнителя;

– по конструкции изготовления плавких вставок. Различают предохранители с ножевыми, болтовыми и фланцевыми контактами;

– по корпусу плавкой вставки предохранители делятся на трубчатые и призматические. У первого вида предохранителей плавкая вставка имеет цилиндрическую форму, у второго вида – форму прямоугольного параллелепипеда;

– по виду плавких вставок в зависимости от диапазона токов отключения. Есть предохранители с отключающей способностью в полном диапазоне токов отключения – g и с отключающей способностью в части диапазона токов отключения – а;

– по быстродействию. Есть предохранители небыстродействующие (используются в большинстве случаев в трансформаторах, кабелях, электрических машинах) и быстродействующие (применяются в полупроводниковых приборах);

– по конструкции основания предохранители могут быть с калибровочным основанием (в таких предохранителях не удастся установить плавкую вставку, предназначенную для работы с большим, чем сам предохранитель, номинальным током) и с некалиброванным основанием (в такие предохранители можно установить плавкую вставку, номинальный ток которой больше номинального тока самого предохранителя);

– по напряжению предохранители делятся на низковольтные и высоковольтные;

– по количеству полюсов. Бывают одно-, двух-, трехполюсные предохранители;

– по наличию и отсутствию свободных контактов. Есть предохранители со свободными контактами и без них;

– по присутствию бойка и указателя срабатывания предохранители бывают – без бойка и без указателя, с указателем без бойка, с бойком без указателя, с указателем и бойком;

– по способу крепления проводников предохранители делятся на – с передним присоединением, с задним, с универсальным (и задним, и передним);

– по способу монтажа. Есть предохранители на собственном основании и без него.

Исторически сложилось так, что механическое исполнение корпусов предохранителей и их габаритные и присоединительные размеры различны в разных странах. Существуют четыре основных национальных стандарта на присоединительные размеры предохранителей: североамериканский, немецкий, британский и французский. Есть также ряд корпусов предохранителей, одинаковых для разных стран и не относящихся к национальным стандартам. Чаще всего такие корпуса относятся к стандартам фирмы – производителя, разработавшей конкретный тип прибора, который оказался удачным и закрепился на рынке. В последние десятилетия, в рамках процессов глобализации экономики, производители постепенно присоединяются к международной системе стандартов корпусов предохранителей для упрощения условий взаимозаменяемости приборов. При выборе следует стараться использовать предохранители международных стандартов: IEC 60127, IEC 60269, IEC 60282, IEC 60470, IEC60549, IEC 60644.

Необходимо отметить, что по виду плавких вставок в зависимости от диапазона токов отключения и быстродействия предохранители разделены на классы использования. При этом первая буква указывает функциональный класс, а вторая – подлежащий защите объект:

1-я буква:

a – защита с отключающей способностью в части диапазона (accompanied fuses): плавкие вставки предохранителей способные как минимум длительно пропускать токи, не превышающие указанного для них расчетного тока, и отключать токи определенной кратности относительно расчетного тока вплоть до расчетной отключающей способности;

g – защита с отключающей способностью во всем диапазоне (general purpose fuses): плавкие вставки предохранителей способные как минимум длительно пропускать токи, не превышающие указанного для них расчетного тока, и отключать токи от минимального тока выплавления и до расчетной отключающей способности.

2-я буква:

G – защита кабелей и проводов;

M – защита коммутационных аппаратов/двигателей;

R – защита полупроводников/тиристоров;

L – защита кабелей и проводов (в соответствии со старой, уже не действующей нормой DIN VDE);

Tr – защита трансформаторов.

Общий вид времятоковых характеристик плавких предохранителей основных категорий использования приведен на рис. 2.1.

Плавкие вставки со следующими классами использования обеспечивают:

gG (DIN VDE/МЭК) – защита кабелей и проводов во всем диапазоне;

aM (DIN VDE/МЭК) – защита коммутационных аппаратов в части диапазона;

aR (DIN VDE/МЭК) – защита полупроводников в части диапазона;

gR (DIN VDE/МЭК) – защита полупроводников во всем диапазоне;

gS (DIN VDE/МЭК) – защита полупроводников, а также кабелей и линий во всем диапазоне.

Предохранители с отключающей способностью во всем диапазоне (gG, gR, gS) надежно отключают как при токах КЗ, так и при перегрузках.

Предохранители с отключающей способностью в части диапазона (aM, aR) служат исключительно для защиты от короткого замыкания.

Для защиты установок на напряжение до 1000 В используют электрические, трубчатые и открытые (пластинчатые) предохранители.

Электрический предохранитель состоит из фарфорового корпуса и пробки с плавкой вставкой. Питающую линию присоединяют к контакту предохранителя, отходящую – к винтовой резьбе. При коротком замыкании или перегрузке плавкая вставка перегорает, и ток в цепи прекращается. Применяют следующие типы электрических предохранителей: Ц-14 на ток до 10 А и напряжение 250 В с прямоугольным основанием; Ц-27 на ток до 20 А и напряжением 500 В с прямоугольным или квадратным основанием и Ц-33 на ток до 60 А и напряжение 500 В с прямоугольным или квадратным основанием.

Например: электрические предохранители резьбовые серии ПРС предназначены для защиты от перегрузок и коротких замыканий электрооборудования и сетей. Номинальное напряжение предохранителей 380 В переменного тока частотой 50 или 60 Гц. Конструктивно предохранители ПРС (рис. 2.2) состоят из корпуса, плавкой вставки ПВД, головки, основания, крышки, центрального контакта.

Предохранители ПРС выпускаются на номинальные токи плавкой вставки от 6 до 100 А. В обозначении предохранителя указывается, какого он присоединения: ПРС-6-П – предохранитель на 6 А, переднего присоединения проводов; ПРС-6-З – предохранитель на 6А, заднего присоединения проводов.

Предохранители цилиндрические ПЦУ-6 и ПЦУ-20 с резьбовым цоколем Ц-27 и плавкими вставками на токи 1, 2, 4, 6, 10, 15, 20 ампер выпускаются в пластмассовом корпусе. Предохранители ПД имеют основание из фарфора, а ПДС – материал основания – стеатит. В бытовых условиях применяют автоматические пробочные предохранители, где защищаемая цепь восстанавливается кнопкой.

Трубчатые предохранители выпускают следующих типов: ПР-2, НПН и ПН-2. Предохранители ПР-2 (предохранитель разборный) предназначены для установки в сетях напряжением до 500 В и на токи 15, 60, 100, 200, 400, 600 и 1000 А.

В патроне предохранителя ПР-2 (рис. 2.3) плавкая вставка 5, прикрепляемая винтами 6 к контактным ножам 1, помещена в фибровую трубку 4, на которую насажены втулки 3 с резьбой. На них навинчены латунные колпачки 2, закрепляющие контактные ножи, которые входят в неподвижные пружинящие контакты, устанавливаемые на изоляционной плите.

Под действием электрической дуги, возникающей при перегорании предохранителя, внутренняя поверхность фибровой трубки разлагается и образуются газы, способствующие быстрому гашению дуги.

К закрытым предохранителям с мелкозернистным наполнителем относятся предохранители типа НПН, НПР, ПН2, ПН-Р, КП. У предохранителей типа НПН (наполненный предохранитель неразборный) трубка стеклянная. У остальных трубки фарфоровые. Предохранители типа НПН имеют цилиндрическую форму, ПН – прямоугольную.

Комплект предохранителя НПН состоит из: плавкой вставки – 1 шт; контакт-основания – 2 шт.

Предохранители НПН изготовляют на напряжение до 500В и токи от 15 до 60 А, предохранители ПН2 (предохранитель насыпной разборный) – на напряжение до 500 В и токи от 10 до 600 А. В насыпных предохранителях плавкие вставки, выполненные из нескольких параллельных медных или посеребренных проволок, помещены в закрытый фарфоровый патрон, заполненный кварцевым песком. Кварцевый песок способствует интенсивному охлаждению и деионизации газов, появляющихся при горении дуги. Так как трубки закрыты, то брызги расплавленного металла плавких вставок и ионизированные газы не выбрасываются наружу. Это уменьшает пожарную опасность и повышает безопасность обслуживания предохранителей. Предохранители с наполнителем так же, как и предохранители типа ПР, – токоограничивающие.

Пластинчатые открытые предохранители состоят из медных или латунных пластин – наконечников, в которые впаяны медные калиброванные проволоки. Наконечники с помощью болтов присоединяют к контактам на изоляторах.

Предохранители типа НПР – патрон закрытый разборный (фарфоровый) с наполнителем из кварцевого песка на номинальные токи до 400 А.

Предохранители ПД (ПДС) - 1, 2, 3, 4, 5 – с наполнителем для установки непосредственно на токоведущие шины на токи от 10 до 600 А.

Для защиты силовых вентилей полупроводниковых преобразователей средней и большой мощности при внешних и внутренних коротких замыканиях широко применяются быстродействующие плавкие предохранители, которые являются самыми дешёвыми средствами защиты. Они состоят из контактных ножей и плавкой вставки из серебряной фольги, помещенных в закрытый фарфоровый патрон.

Плавкая вставка таких предохранителей имеет узкие калиброванные перешейки, которые снабжены радиаторами из хорошо проводящего тепло керамического материала, посредством которых тепло отводится к корпусу предохранителя. Эти радиаторы служат также дугогасительными камерами с узкой щелью, что значительно улучшает гашение дуги, возникающей в области перешейка. Параллельно плавкой вставке установлен сигнальный патрон, блинкер которого сигнализирует о расплавлении плавкой вставки и, воздействуя на микровыключатель, замыкает сигнальные контакты.

Длительное время промышленностью выпускались два типа быстродействующих плавких предохранителей, предназначенных для защиты от токов короткого замыкания преобразователей с силовыми полупроводниковыми вентилями:

1) предохранители типа ПНБ-5 (рис. 2.4, а) для работы в цепях с номинальным напряжением до 660 В постоянного и переменного тока на номинальные токи 40, 63, 100, 160, 250, 315, 400, 500 и 630 А;

2) предохранители типа ПБВ для работы в цепях переменного тока с частотой 50 Гц номинальным напряжением 380 В на номинальные токи от 63 до 630 А.

гальваническим покрытием (высокая токопроводность и долговечность).

Корпус предохранителя сделан из высокопрочного ультрафарфора. Конструкция предохранителя позволяет применять дополнительные устройства – указатель срабатывания, свободный контакт.

Структура условного обозначения предохранителей ПНБ7-400/100-Х1-Х2:

ПНБ-7 – обозначение серии;

400 – номинальное напряжение, В;

100 – номинальный ток;

Х1 – условное обозначение вида монтажа и вида присоединения проводников к выводам: 2 – на собственном изоляционном основании с контактами основания; 5 – на основаниях комплектных устройств с контактами основания; 8 – без основания, без контактов (плавкая вставка);

Х2 – условное обозначение наличия указателя срабатывания: 0 – без сигнализации; 1 – с бойком и свободным контактом; 2 – с указателем срабатывания; 3 – с бойком.

Плавкие предохранители промышленного назначения серии ПП предназначены для защиты электрооборудования промышленных установок и электрических цепей от перегрузок и коротких замыканий.

Выпускаются предохранители данной серии следующих основных типов: ПП17, ПП32, ПП57, ПП60С. Предохранители изготавливают с указателем срабатывания, с указателем срабатывания и свободным контактом или без сигнализации. В зависимости от типа предохранители рассчитаны на напряжение до 690 В и на номинальные токи от 20 А до 1000 А. Конструктивные особенности позволяют устанавливать свободные контакты замыкающие или размыкающие, а также способ монтажа – на собственном основании, на основании комплектных устройств, на проводниках комплектных устройств.

Структура обозначения предохранителей типа ПП17 и ПП32 – Х1Х2 – Х3 – Х4 – ХХХХ:

1) Х1Х2 – условное обозначение габарита (номинальный ток, А): 31 –100А; 35 – 250А; 37 – 400А; 39 – 630А.

2) Х3 – условное обозначение вида монтажа и вида присоединения: 2 – на собственном основании, 5 – на основании комплектных устройств, 7 – на проводниках комплектных устройств (болтовое присоединение), 8 – без основания (плавкая вставка), 9 – без основания (плавкая вставка в части размеров унифицирована с предохранителями ПН2-100 и ПН2-250).

3) Х4 – условное обозначение наличия указателя срабатывания, бойка, свободного контакта: 0 – без сигнализации, 1 – с бойком и свободным контактом, 2 – с указателем срабатывания, 3 – с бойком.

4) ХХХХ – климатическое исполнение: УХЛ, Т и категория размещения 2, 3.

В настоящее время полупроводниковые преобразователи оснащаются предохранителями серии ПП57 (рис. 2.5, а) и ПП60С (рис. 2.5, б).

Первые предназначенные для защиты преобразовательных агрегатов при внутренних коротких замыканиях переменного и постоянного тока при напряжениях 220 – 2000 В на токи 100, 250, 400, 630 и 800 А. Вторые – при внутренних коротких замыканиях переменного тока при напряжениях 690 В на токи 400, 630, 800 и 1000 А.

Структура обозначения предохранителей типа ПП57 – ABCD – EF:

Буквы ПП – предохранитель плавкий;

Двузначное число 57 – условный номер серии;

А – двузначное число – условное обозначение номинального тока предохранителя;

В – цифра – условное обозначение номинального напряжения предохранителя;

С – цифра – условное обозначение по способу монтажа и виду присоединения проводников к выводам предохранителя (например, 7 – на проводниках преобразовательного устройства – болтовое с уголковыми выводами);

D – цифра – условное обозначение наличия указателя срабатывания и контакта вспомогательной цепи: 0 – без указателя срабатывания, без контакта вспомогательной цепи; 1 – с указателем срабатывания, с контактом вспомогательной цепи; 2 – с указателем срабатывания, без контакта вспомогательной цепи;

Е – буква – условное обозначение климатического исполнения;

Пример условного обозначения предохранителя: ПП57-37971-УЗ.

Предохранители плавкие ППН предназначаются для защиты кабельных линий и промышленных электроустановок от токов перегрузки и короткого замыкания. Предохранители применяются в электрических сетях переменного тока частотой 50 Гц с напряжением до 660 В и устанавливаются в низковольтные комплектные устройства, например, в распределительные панели ЩО-70, вводно-распределительные устройства ВРУ1, шкафы распределительные силовые ШРС1 и т.п.

Преимущества предохранителей ППН: 1) корпус предохранителя и основание держателя изготовлены из керамики; 2) контакты предохранителя и держателя изготовлены из электротехнической меди; 3) корпус предохранителей засыпан мелкодисперсным кварцевым песком; 4) габаритные размеры предохранителей на ~15% меньше предохранителей ПН-2; 5) потери мощности на ~40% меньше, чем у предохранителей ПН-2; 6) наличие индикатора срабатывания; 7) предохранители монтируются и демонтируются с помощью универсального съемника.

Особенности конструкции предохранителей серии ППН приведены на рис. 2.6 .

Предохранители плавкие серии ППНИ (рис. 2.7) общего применения предназначены для защиты промышленных электроустановок и кабельных линий от перегрузки и короткого замыкания и выпускаются на номинальные токи от 2 до 630 А.

Используются в однофазных и трехфазных сетях напряжением до 660 В частоты 50 Гц. Области применения предохранителей ППНИ: вводно-распределительные устройства (ВРУ); шкафы и пункты распределительные (ШРС, ШР, ПР); оборудование трансформаторных подстанций (КСО, ЩО); шкафы низкого напряжения (ШР-НН); шкафы и ящики управления.

Вследствие использования качественных современных материалов и новой конструкции, в предохранителях ППНИ снижены потери мощности по сравнению с предохранителями ПН-2. Данные, представленные в табл. 2.1, показывают экономичность предохранителей ППНИ по сравнению с ПН-2.

Таблица 2.1

Пример выбора предохранителя

Для вентильной группы выпрямителя в шестипульсной мостовой схеме, чей расчетный постоянный ток составляет I d = 850 А, необходимо выбрать плавкие вставки для предохранителя в ответвлениях. Выбор предохранителя приведен для указанных выше четырех типичных видов нагрузки.

Параметры вентильной группы выпрямителя:

– напряжение питающей сети

U N = 3 АС 50 Гц 400 В,

– восстанавливающее напряжение

U W = 360 В = U N ·0,9 (при опрокидывании инвертора,

– тиристор Т 508N (фирмы Eupec)

интеграл предельной нагрузки ∫I²dt = 320·103 А2с (10 мс, холодный),

– предохранительные вставки с естественным охлаждением, температура окружающей среды tu = +35°С

– поперечное сечение присоединения для предохранительных вставок, медь: 160 мм 2 ,

– эффективное значение тока ответвления (рабочий ток предохранителя) I La = I d ·0,58.

Постоянный ток I d = 850 А

I eff =I La = I d ·0,58 = 493 А

Полный джоулевый интеграл

∫I²·tА = 360·103 · 0,53 = 191·103 А2с

В соответствии с номограммами, приведенными в , необходимо применить следующие поправочные коэффициенты:

k u = 1,02 (tu = +35°С),

Требуемый расчетный ток I Р предохранителя

I Р = I La ·(1/ k u · k q · k l · k i · k WL) = 493 ·(1/1,02·0,91·1,0·1,0·1,0) = 531 А

Проверка: 560 А > 531 А

Неизвестная переменная нагрузка с известным максимальным током I МАКС

I eff = I МАКС = 435 А

Полный джоулевый интеграл

∫I²·tА = 260·103 ··0,53 = 138·103 А2с

Контрольное поперечное сечение : 400 мм 2

k u = 1,02 (tu = +35°С),

k q = 0,91 (поперечное сечение присоединения с обеих сторон 40% от контрольного поперечного сечения),

k l = 1,0 (угол отсечки тока l=120°),

k i = 1,0 (интенсивное воздушное охлаждение отсутствует)

Требуемый расчетный ток IР предохранителя

I Р = ILa ·(1/ k u · k q · k l · k i · k WL) = 435 ·(1/1,02·0,91·1,0·1,0·1,0) = 469 А

Проверка: 560 А > 469 А

Переменная нагрузка с известным нагрузочным циклом.

Постоянный ток:

I d1 = 1200 А, t 1 = 20 с (рис. 2.14),

I d2 = 500 А, t 2 = 240 с,

I d3 = 1000 А, t 3 = 10 с,

I d4 = 0 А, t4 = 60 с.

Ток, протекающий через предохранитель:

I La1 = 1200 · 0,58 = 696 А (рис. 2.14),

I La2 = 500 · 0,58 = 290 А,

I La3 = 1000 · 0,58 = 580 А,

I La4 = 0 · 0,58 = 0 А.

Эффективное значение рабочего тока

Полный джоулевый интеграл

∫I²·tА = 175·103 ·0,53 = 93·103 А2с

Контрольное поперечное сечение : 320 мм 2

Применяем следующие поправочные коэффициенты:

k u = 1,02 (tu = +35°С),

k q = 0,94 (поперечное сечение присоединения с обеих сторон 50% от контрольного поперечного сечения),

k l = 1,0 (угол отсечки тока l=120°),

k i = 1,0 (интенсивное воздушное охлаждение отсутствует)

I Р = I eff ·(1/ k u · k q · k l · k i · k WL) = 317 ·(1/1,02·0,94·1,0·1,0·1,0) = 331 А

Проверка: 450 А > 331 А

I Р / = k u · k q · k l · k i · k WL · I Р =1,02·0,94·1,0·1,0·1,0·450 = 431 А

2. Проверка допустимой продолжительности перегрузки блоками тока, которые превышают допустимый рабочий ток предохранителя I Р / .

V = I eff / I Р / = 317/431= 0,74

Из кривой k RW1 = f (V) (рис. 11) определяем величину k RW1 для V = 0,74, имеем k RW1 = 0,2

Определяем сокращенную продолжительность допустимой нагрузки t SС для соответствующего блок тока по выражению:

t SС = k RW1 · t S , (2.15)

где t S – время плавления вставки для токов I La1 и I La3 , протекающих через предохранитель (из времятоковой характеристики для3NE3 333) .

Имеем: t S1 = 230 с, t S3 = 1200 с.

Тогда t S1С = k RW1 · t S1 = 0,2·230 = 46 с,

t S3С = k RW1 · t S3 = 0,2·1200 = 240 с

Проверка: t S1С = 46 с > t 1 = 20 с

t S3С = 240 с > t 3 = 10 с

Случайная ударная нагрузка из предварительной нагрузки с неизвестной последовательностью ударных импульсов

I eff = I vor , (2.16)

где I vor – ток предварительной нагрузки (рис. 2.15),

I Stoss – ток перегрузки,

t Stoss – продолжительность перегрузки (t Stoss = 8 с).

Постоянный ток: Ток, протекающий через предохранитель:

I dvor = 700 А I vor = I dvor · 0,58 = 406 А

I dStoss = 1750 А I Stoss = I dStoss · 0,58 = 1015 А

Периодичность и продолжительность ударных импульсов нагрузки должна удовлетворять следующим условиям – t pausa ³ 3· t Stoss и t pausa ³ 5 мин.

Полный джоулевый интеграл

∫I²·tА = 360·103 ·0,53 = 191·103 А2с

Контрольное поперечное сечение : 400 мм 2

Применяем следующие поправочные коэффициенты:

k u = 1,02 (t u = +35°С),

k q = 0,91 (поперечное сечение присоединения с обеих сторон 40% от контрольного поперечного сечения),

k l = 1,0 (угол отсечки тока l=120°),

k i = 1,0 (интенсивное воздушное охлаждение отсутствует)

1. Требуемый расчетный ток I Р предохранителя

I Р = I vor ·(1/ k u · k q · k l · k i · k WL) = 406 ·(1/1,02·0,91·1,0·1,0·1,0) = 437 А

Проверка: 450 А > 437 А

Допустимый рабочий ток I Р / выбранной предохранительной вставки:

I Р / = k u · k q · k l · k i · k WL · I Р =1,02·0,91·1,0·1,0·1,0·560 = 520 А

2. Проверка допустимой продолжительности перегрузки пиковым током I Stoss .

Предварительный коэффициент нагрузки:

V = I vor /I Р / = 406/520= 0,78

Из кривой k RW1 = f (V) (рис. 2.11) определяем величину k RW1 для V = 0,78, имеем k RW1 = 0,18

Определяем сокращенную продолжительность допустимой нагрузки t SС для ударного тока по выражению:

t SС = k RW1 · t S , (2.17)

где t S – время плавления вставки для ударного тока I Stoss = 1015 А, протекающих через предохранитель (из времятоковой характеристики для3NE3 333) .

Имеем: t S = 110 с.

Тогда t SС = k RW1 · tS = 0,18·110 = 19,8 с

Проверка: t SС = 19,8 с > t Stoss = 8 с

1. Наименование и цель работы.

2. Основные типы предохранителей, применяемые для защиты электроустановок и электрических цепей.

3. Расчёт и выбор предохранителя по индивидуальному заданию.

4. Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. По каким конструктивным признакам различаются плавкие предохранители?

2. Дайте расшифровку обозначения плавких предохранителей.

3. Опишите конструкцию предохранителя ПР-2.

4. Опишите конструкцию предохранителя НПР.

5. Опишите конструкцию предохранителя ПНБ.

6. В чем отличие предохранителей ПН от ПНБ-7?

7. Область применения предохранителей ПП57 и ПП60С.

8. Область применения предохранителей ППНИ.

9. В чем отличие предохранителей ППНИ от ПН-2?

10. Как рассчитывают ток плавкой вставки для различной нагрузки?

11. Что такое селективность защиты?

12. Что такое времятоковая характеристика предохранителя?

13. Какие преимущества у предохранителей типа ППНИ перед другими типами предохранителей?

14. Как обеспечить селективность последовательно включенных плавких вставок?

15. Как проверяется соприкосновение контактов ножей предохранителя с губками стоек?

Библиографический список

1. Правила устройства электроустановок [Текст]: Все действующие разделы ПУЭ-6 и ПУЭ-7. Новосибирск: Норматика, 2013. – 464 с., ил.

2. Монтаж электрооборудования и средств автоматизации: учебник для ВУЗов / И.Р. Владыкин, А.П. Коломиец, Н.П. Кондратьева, С.И. Юран. – М.: Изд-во ""КолосС"", 2007.

3. Сибикин Ю.Д. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудования промышленных предприятий и установок: Учеб. пособие для проф. учеб. заведений / Ю.Д. Сибикин, М.Ю. Сибикин. – М.: Высш. шк., 2003.

4. Акимова Н.А. Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт электрического и электромеханического оборудования: учеб. пособие / Н.А. Акимова, Н.Ф. Котеленец, Н.И. Сентюрихин; под ред. Н.Ф. Котеленца. – 3-е изд., стереотип. – М.: Академия, 2005

5. Костенко Е.М. Монтаж, техническое обслуживание и ремонт промышленного и бытового электрооборудования: практ. пособие для электромонтера / Е.М. Костенко. – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2005.

6. EKF electrotechnica [Официальный сайт] Url: http://ekfgroup.com/produktsiya (дата обращения 01 сентября 2014 г.).

7. КЭАЗ – Курский электроаппаратный завод [Официальный сайт] Url: http://keaz.ru (дата обращения 01 сентября 2014 г.).

8. IEK – Интер электро комплект [Официальный сайт] Url: http://www.iek.ru (дата обращения 01 сентября 2014 г.).

9. Siemens – Электротехническая продукция [Официальный сайт] Url: http://electrosiemens.ru (дата обращения 01 сентября 2014 г.).

Р А З Д Е Л 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Страница 1 из 75

В книге изложены основы конструирования, расчета, испытания, выбора коммутационной аппаратуры распределительных устройств низкого напряжения - автоматических и неавтоматических выключателей и предохранителей; кроме того, описаны основные конструкции.

Книга предназначена для инженеров-электриков, занимающихся конструированием и исследованием аппаратуры, проектированием электротехнических установок и эксплуатацией их.

Кузнецов Ростислав Сергеевич, Аппараты распределительных устройств низкого напряжения, 1962.

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами на центральных электрических станциях, передается на большие расстояния многочисленным приемникам - двигателям, нагревательным, осветительным и подобным устройствам. Распределение энергии между приемниками и управление работой источников энергии, линий передачи и приемников осуществляются с помощью четырех групп электрических аппаратов, существенно отличающихся по назначению и конструкции.

К первой группе относятся аппараты, которые служат преимущественно для включения и отключения главных цепей в системах, генерирующих электрическую энергию и передающих ее потребителю. Они называются коммутационными аппаратами распределительных устройств. Эти аппараты производят включение или отключение цепи при воздействии обслуживающего персонала (неавтоматически) или без этого воздействия (автоматически). У некоторых аппаратов автоматическое срабатывание осуществляется при воздействии на их вспомогательную электрическую цепь, замыкаемую или размыкаемую с помощью других автоматических аппаратов - реле.

Ко второй группе относятся реле и регуляторы, осуществляющие защиту и управление работой генераторов, трансформаторов, линий передачи и приемников путем воздействия на разные вспомогательные цепи.

К третьей группе относятся аппараты управления, осуществляющие управление работой приемников электрической энергии, например: пуск, регулирование числа оборотов, торможение, реверсирование двигателей. К аппаратуре управления относятся, например: контакторы, пускатели, контроллеры, командоаппараты, реостаты, реле, осуществляющие защиту и управление работой электропривода.

К четвертой группе относятся аппараты, специально предназначенные для автоматизации технологических процессов. К ним относятся датчики, которые создают в цепях управления сигналы, соответствующие определенным параметрам протекающего технологического процесса, а также аппараты, которые преобразуют эти сигналы, вырабатывают, осуществляют, контролируют программу, определяющую желательный ход технологического процесса, и направляют сигналы аппаратам управления, которые управляют электродвигателями исполнительных механизмов.

В настоящей книге излагаются основные сведения об устройстве, проектировании и эксплуатации коммутационной аппаратуры распределительных устройств, которая обычно устанавливается в сетях переменного тока на напряжение до 660 в и постоянного тока - до 440 в. Некоторые аппараты рассчитываются на напряжение более 440 в постоянного тока. Поэтому, строго говоря, они не всегда могут быть названы низковольтными; однако по конструкции аппараты, предназначенные для сетей низкого напряжения (до 380 в с заземленной нейтралью), мало чем отличаются от аппаратов на несколько большее напряжение. Коммутационная аппаратура переменного тока на напряжение 3 кВ и выше в настоящей книге не рассматривается.

Книга охватывает главным образом аппаратуру общего применения. Более подробные сведения о специальной аппаратуре можно найти в соответствующих пособиях.

Глава первая

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ АППАРАТОВ И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

1-1. НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ

Коммутационные аппараты распределительных устройств выполняют две функции:

неавтоматическое включение и отключение электрических цепей, которые производятся, когда надо подать или снять питание электроэнергией участка сети;

автоматическое отключение электрических цепей в случае появления в них каких-либо ненормальных явлений, угрожающих безопасности обслуживающего персонала или сохранности установки (например, в случае коротких замыканий). Иногда аппараты осуществляют автоматическое включение резервного источника энергии или автоматическое повторное включение после аварийного отключения.

Различают три группы аппаратов распределительных устройств:

автоматические выключатели или сокращенно автоматы;

плавкие предохранители или сокращенно предохранители;

неавтоматические выключатели.

Иногда указанные аппараты устанавливаются вместе с аппаратурой управления ib устройствах для управления электроприводом (станциях управления, магнитных пускателях и т. д.).

Автоматические выключатели полностью выполняют указанные выше первую и вторую функции: они служат как для неавтоматической коммутации, так и для автоматической коммутации при всевозможных ненормальных условиях (сверхток, перенапряжение, обратный ток, исчезновение напряжения и т. д.).

Плавкие предохранители частично выполняют вторую функцию: они только отключают цепь и только при одном виде ненормального режима - при сверхтоке. Их особенностью является плавление металла при больших токах, которое ведет к разрыву цепи тока.

Неавтоматические выключатели выполняют только первую из вышеуказанных функций: неавтоматическое включение и отключение цепей.

Распределительные устройства - это группа коммутационных аппаратов, электрически соединенных между собой и являющихся одним конструктивным целым. Выполняемые ими функции определяются составом входящих в них аппаратов. Кроме основной коммутационной аппаратуры, в распределительных устройствах могут устанавливаться также измерительные приборы, реостаты, реле, регуляторы, сигнальные аппараты и т. д.

Распределительные устройства устанавливаются в следующих местах:

у источника энергии (на вторичной стороне понизительных трансформаторов, у генераторов или ртутных выпрямителей);

в местах, где требуется осуществить распределение энергии по нескольким направлениям;

на ответвлениях к отдельным приемникам энергии.

Каждая из вышеуказанных групп аппаратов в зависимости от конструктивных принципов, положенных в их основу, показателей, характеризующих их работу при ненормальных режимах, и защищенности от воздействия внешней среды подразделяется на ряд подгрупп. Кроме того, все аппараты различаются по:

роду тока и частоте переменного тока аппарата и его катушек;

номинальному напряжению аппарата и шунтовых катушек его электромагнитов;

номинальному току аппарата, сериесных катушек его электромагнитов и его нагревателей;

числу коммутируемых цепей.

Аппараты исполняются на частоту до 10 000 Гц. Наиболее распространенным является исполнение аппаратов на номинальную частоту переменного тока 50 Гц. Шунтовые катушки электромагнитов исполняются на частоту не выше 60 Гц.

Аппараты выполняются для работы при номинальном напряжении сети переменного тока 127, 220, 380, 500 и 660 в и постоянного тока 24 - 32 в, 110, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в. Напряжение 500 в переменного тока встречается изредка и только >в старых установках. В промышленности наиболее распространено напряжение 380 в. Сети с напряжением 660 в в последнее время применены в шахтах; предполагается их применение на химических и других предприятиях, где приемники энергии рассредоточены. В настоящее время напряжение 660 в пока еще не входит в число стандартных напряжений, предусмотренных ГОСТ, но предполагается его ввести в ближайшее время.

Главные цепи аппаратов обычно рассчитываются на напряжения 220 и 380 вив последнее время 660 в переменного тока и 30, 220, 440, 825, 1 650 и 3 300 в постоянного тока. Шунтовые катушки аппаратов исполняются на разные стандартные и нестандартные напряжения, но обычно не более 380 в переменного и 220 в постоянного тока. Катушки работают ненадежно при более высоких напряжениях.

Аппараты исполняются на разные номинальные токи от 6 до 25 000 а. Сериесные катушки аппаратов исполняются на номинальные токи от 0,05 до 25 000 а.

Аппараты подразделяются на одно-, двух- и трех- полюсные, в соответствии с числом проводов в линии. Изредка они имеют и большее число полюсов.