Аппараты распределительных устройств низкого напряжения. Полупроводниковые аппараты низкого напряжения Электрические аппараты принципы работы и основные виды

Глава 9. Электромагнитные муфты
Муфты электромагнитные масляные многодисковые
Муфты электромагнитные многодисковые серии ЭМ
Глава 10. Реле управления и автоматики
Основные определения и классификация
Реле времени
Реле промежуточные
Реле контроля трехфазного напряжения
Реле указательные
Реле напряжения
Реле тока
Реле мощности
Фотореле
Блок реле сопротивления типа БРЭ 2801
Реле тепловые
Реле температурные
Реле сигнальные
Реле торможения противовключением
Рекомендуемые замены реле, устройств защиты и блокировки

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Глава 11. Классификация электрических аппаратов высокого напряжения
Коммутационные аппараты
Ограничивающие аппараты
Измерительные аппараты
Компенсирующие аппараты
Распределительные устройства
Масляные выключатели
Глава 13. Электромагнитные выключатели
Глава 14. Воздушные выключатели
Воздушные выключатели генераторные
Воздушные выключатели сетевые
Глава 15. Разъединители внутренней и наружной установки 10 кВ.

Глава 16. Предохранители высоковольтные
Выбор предохранителей
Предохранители с кварцевым наполнителем
Предохранители выхлопного типа
Глава 17. Разрядники и ограничители
Разрядники.
Ограничители перенапряжения
Глава 18. Трансформаторы измерительные тока и напряжения
Трансформаторы тока
Трансформаторы напряжения
Глава 19. Реакторы.
Основные виды и назначение реакторов
Бетонные сухие реакторы
Фильтровые (сглаживающие) реакторы
Токоограничивающие реакторы
Заземляющие реакторы
Шунтирующие реакторы
Глава 20. Высоковольтные распределительные устройства
Камеры сборные КСО-366
Камеры сборные КСО-272
Камеры сборные КСО-386
Шинные мосты

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

Электрическими аппаратами называются электротехнические устройства для управления потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов. Электрические аппараты в зависимости от элементной базы и принципа действия разделяются на электромеханические и статические.

К электромеханическим аппаратам относятся технические устройства, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую либо механическая энергия в электрическую.

Электромеханические аппараты применяются почти во всех автоматизированных системах. Некоторые системы полностью строятся на электромеханических аппаратах. Например, схемы автоматизации пуска, реверса и торможения в нерегулируемом электроприводе состоят в основном из таких электромеханических устройств, как реле и контакторы. Электромеханические аппараты применяются в качестве датчиков, усилителей, реле, исполнительных органов и т. д. Входные и выходные величины этих устройств могут быть как механическими, так и электрическими. Однако в них должно обязательно осуществляться взаимное преобразование механической энергии в электрическую и наоборот.

Статические аппараты выполняются на основе электронных компонентов (диодов, тиристоров, транзисторов и др.), а также управляемых электромагнитных устройств, в которых связь входа и выхода осуществляется через магнитное поле в ферромагнитном сердечнике. Примерами таких устройств могут служить обычный трансформатор из электротехнической стали и магнитный усилитель.

Основой функционирования большинства видов электрических аппаратов (автоматических выключателей, контакторов, реле, кнопок управления, тумблеров, переключателей, предохранителей и др.) являются процессы коммутации (включение и отключение) электрических цепей.

Другую многочисленную группу электрических аппаратов, предназначенных для управления режимами работы и защиты электромеханических систем и компонентов, составляют регуляторы и стабилизаторы параметров электрической энергии (тока, напряжения, мощности, частоты и др.). Электрические аппараты этой группы функционируют на основе непрерывного или импульсного изменения проводимости электрических цепей.

Рассмотрим некоторые виды электрических аппаратов.

Контактор – это электрический аппарат, предназначенный для коммутации силовых электрических цепей как при номинальных токах, так и при токах перегрузки.

Магнитный пускатель – это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверсирования и защиты электродвигателей. Его единственное отличие от контактора – наличие устройства защиты (обычно теплового реле) от тепловых перегрузок.

Бесперебойная работа асинхронных двигателей в значительной степени зависит от надежности пускателей. Поэтому к ним предъявляются высокие требования в отношении износостойкости, коммутационной способности, четкости срабатывания, надежности защиты двигателя от перегрузок, минимального потребления мощности.

В крановых механизмах широко применяются контроллеры, которые управляют двигателями малой и средней мощности, и командоконтроллеры (двигатели большой мощности).

Контроллер представляет собой аппарат, с помощью которого осуществляются необходимые переключения в цепях двигателей переменного и постоянного тока. Переключения осуществляются вручную поворотом маховика.

Командоконтроллер по принципу действия не отличается от контроллера, но имеет более легкую контактную систему, предназначенную для переключений в цепях управления.

Реле называется такой электрический аппарат, в котором при плавном изменении управляющей (входной) величины происходит скачкообразное изменение управляемой (выходной) величины.

В различных системах автоматизированного электропривода широкое распространение получили электромагнитные реле. Их используют в качестве датчиков тока и напряжения, датчиков времени, для передачи команд и размножения сигналов в электрических цепях. В качестве исполнительных устройств они применяются в датчиках технологических параметров различных машин и механизмов.

Магнитоуправляемый контакт (геркон) – это контакт, изменяющий состояние электрической цепи посредством механического замыкания или размыкания ее при воздействии управляющего магнитного поля на его элементы. Герконы обладают повышенным быстродействием, а также, вследствие, своих конструктивных особенностей, надежностью работы, поэтому они нашли широкое применение в автоматических системах. На их базе создают реле различного назначения, датчики, кнопки и т. п.

Исполнительное устройство – это устройство, осуществляющее перемещение исполнительного органа или силовое воздействие на этот орган в соответствии с заданными функциями и при подаче соответствующих сигналов на обмотки управления. Наиболее часто электромеханические исполнительные устройства применяются для преобразования электрического сигнала в перемещение подвижной части устройства. Примерами являются электромагнитные клапаны, электромагнитные муфты, электромагнитные защелки, задвижки и т. п.

Все элементы аппаратов имеют установленные графические изображения и названия, часть из которых приведена в табл.

Условные обозначения элементов аппаратов

Наименование	Обозначение
Выключатель кнопочный: с замыкающим контактом
с размыкающим контактом
Выключатель однополюсный
Контакт коммутационного устройства: замыкающий
размыкающий
переключающий
Контакт для коммутации сильноточной цепи: замыкающий
размыкающий
замыкающий дугогасительный
размыкающий дугогасительный
Контакт замыкающий с замедлителем, действующим при срабатывании
Реле электрическое с замыкающим, размыкающим и переключающим контактом

Положение контактов аппаратов, изображаемых на схемах управления, при отсутствии внешнего воздействия соответствует их нормальному состоянию. Контакты аппаратов подразделяют на замыкающие, размыкающие и переключающие. В схемах управления электроприводом различают силовые или главные цепи, по которым подается электрический ток к электродвигателям, а также вспомогательные, к которым относятся цепи управления, защиты и сигнализации.

Электроприводы насосов,

Вентиляторов, компрессоров

В современной технике большой класс составляют машины, предназначенные для подачи жидкостей и газов, которые подразделяются на насосы, вентиляторы и компрессоры. Основными параметрами, характеризующими работу таких машин, являются создаваемые ими подача (производительность), давление и напор, а также энергия, сообщаемая потоку их рабочими органами.

Обычно данные системы электропривода подразделяют на несколько групп:

1) Насосы, вентиляторы, компрессоры центробежного типа, статическая мощность на валу которых меняется пропорционально кубу скорости, если потерями холостого хода можно пренебречь и отсутствует противодавление, т. е. это механизмы с так называемой вентиляторной характеристикой. Это наиболее распространенная группа;

2) Различные насосы и компрессоры поршневого типа, мощность на валу которых изменяется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота кривошипа. У поршневых насосов одинарного действия подача осуществляется только при движении поршня вперед, при обратном ходе подача отсутствует;

3) Различные насосы и компрессоры поршневого типа двойного действия. Подача осуществляется при ходе поршня в обе стороны.

Регулируемый электропривод механизмов с вентиляторным моментом

В установках, требующих плавного и автоматического регулирования подачи, электропривод выполняют регулируемым .

Характеристики механизмов центробежного типа создают благоприятные условия работы регулируемого электропривода как в отношении статических нагрузок, так и требуемого диапазона регулирования скорости. Действительно, при уменьшении скорости, по крайней мере квадратично, снижается и момент сопротивления на валу двигателя. Это облегчает тепловой режим двигателя при работе на пониженной скорости. Из законов пропорциональности вытекает, что требуемый диапазон регулирования скорости при условии отсутствия статического напора не превышает заданный диапазон изменения подачи

Если статический напор не равен нулю, то для изменения подачи от нуля до номинального значения необходим диапазон регулирования скорости

где - напор, развиваемый механизмом при .

В среднем для регулируемых механизмов центробежного типа требуемый диапазон регулирования скорости обычно не превосходит 2:1. Отмеченные особенности данных механизмов и невысокие требования в отношении жесткости механических характеристик позволяют успешно применять для них простые схемы регулируемого асинхронного электропривода.

Для установок небольшой мощности (7…10 кВт) задача решается с помощью системы регулятор напряжения – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве регуляторов напряжения чаще всего используются тиристорные коммутаторы. Такие системы нашли применение в комплексах вентиляторного оборудования, предназначенных для обеспечения требуемого воздухообмена и создания необходимых температурных условий в животноводческих и птицеводческих помещениях в соответствии с зооветеринарными нормами.

В установках, где по условиям эксплуатации допустимо применение асинхронного двигателя с фазным ротором возможности регулируемого электропривода расширяются. Механические характеристики данного привода обеспечивают устойчивую работу в достаточно большом диапазоне скоростей при разомкнутой системе электропривода.

В ряде случаев применяется регулирование скорости механизмов с приводом их асинхронными или синхронными двигателями. При этом между двигателями и производственным механизмом устанавливается гидромуфта или асинхронная муфта скольжения, позволяющая изменять скорость производственного механизма, не изменяя скорости двигателя.

Для примера рассмотримэлектрическую схему автоматизации вентиляторной установки .

Схема управления асинхронным короткозамкнутым двигателем М вентилятора, расположенного в машинном зале и предназначенного для независимой вентиляции крупных электрических машин показана на рис. 4.13. Управление вентилятором осуществляется со щита с помощью ключа управления К1 , имеющего четыре контакта и рукоятку с самовозвратом. Ключ К2 служит для разрешения или запрещения включения вентилятора на месте установки, когда нет надобности в его работе.

Схема работает следующим образом. Ключ К2 устанавливается в положение Р (разрешено). Включается автомат В2 цепей управления и автомат В1 главных цепей (его контакт в цепи самоблокировки пускателя замыкается). Загорается зеленая лампа Л3 (двигатель отключен). Для пуска двигателя М ключ К1 переводится из нулевого положения 0 в пусковое П . при этом включается магнитный пускатель К , ставится на самопитание и главными контактами включает двигатели в сеть. Зеленая лампа ЛЗ гаснет, красная лампа ЛК загорается - двигатель включен.

Рукоятка ключа К1 отпускается, и ключ возвращается в нулевое положение, на котором контакт 2 ключа замыкается, а контакт 1 остается замкнутым.

В схеме предусмотрено опробование вентилятора на месте его установки с помощью кнопки КнО . Предусмотрена также блокировка (с помощью замыкающего блок-контакта К ), не позволяющая включать вентилируемую машину до пуска вентилятора. Защита при коротких замыканиях или перегрузке двигателя М осуществляется автоматом В1 с комбинированным расцепителем. А нулевая защита - пускателем К (новый пуск двигателя не возможен, пока рукоятка ключа К1 не будет поставлена в пусковое положение П ) . При отключении вентилятора в результате действия защиты включается предупредительный сигнал, так как контакты 3 и 4 ключа К1 при этом замкнуты. При ручном отключении вентилятора путем перевода, а затем отпускании рукоятки ключа К1 в положении С предупредительный сигнал не подается, поскольку разомкнут контакт 4 .

Основы электроснабжения

Электроснабжением называют генерирование, передачу и распределение электрической энергии между потребителями.

Генерирование электрической энергии создается электрическими станциями. Почти все промышленные электрические станции имеют конечным элементом синхронный генератор трехфазного синусоидального напряжения. С увеличением единичной мощности генератора повышается его КПД, поэтому современные станции имеют генераторы очень большой мощности.

Электрические станции можно классифицировать таким образом:

тепловые, гидравлические, атомные, ветровые электростанции, гелиоэлектростанции, геотермальные, приливные и т.д. более других распространены тепловые электростанции , которые сжигают уголь, торф, газ, нефть и др. на этих станциях вырабатывается электрическая энергия с КПД около 40 %. Тепловые станции загрязняют воздух вследствие неполного сжигания горючего и недостаточной фильтрации отработанных газов.

Гидравлические станции используют энергию водного потока. На таких станциях вырабатывается значительно более дешевая электрическая энергия. Гидроэлектростанция большой мощности имеет КПД, приближающийся к 90 %. Гидравлические станции нарушают водный баланс рек и также ухудшают экологию.

Атомные электростанции превращают энергию деления атомного ядра в электрическую энергию. КПД реактора атомной станции 25…35 %. В случае аварии на атомной станции возникает угроза радиационного загрязнения среды.

Эксплуатация любого источника электрической энергии может вызвать экологические нарушения. Поэтому в развитых странах уделяется большое внимание технологии выработки электрической энергии. Применяя современную технологию, некоторые страны безопасно вырабатывают свыше 60 % электроэнергии на атомных станциях.

Начинается применение ветровых и гелиоэлектрических станций. Небольшой мощности электроэнергию выдают геотермальная (на Камчатке) и приливная (на Кольском полуострове) станции.

Синхронные генераторы электрических станций индуцируют трехфазную синусоидальную ЭДС величиной 18 кВ. Для уменьшения потерь в линиях электропередач на повышающих подстанциях напряжение трансформируется до 110 и 330 кВ и подается в Единую Энергетическую Систему. Потери в линиях передач пропорциональны квадрату тока, поэтому электроэнергия транспортируется при повышенном напряжении и уменьшенном токе.

Линии электропередач бывают воздушные и кабельные. Воздушные линии электропередач (ЛЭП) значительно дешевле кабельных (подземных) и поэтому шире применяются. Линии электропередач соединяются с трансформаторами специальными высоковольтными коммутирующими устройствами.

Обычно промышленными предприятиями электрическая энергия потребляется с напряжением 380 В. Поэтому перед потребителем устанавливаются распределительные пункты и трансформаторные подстанции, понижающие напряжение до 6…10 кВ и 380…220 В.

Различают три основные схемы электроснабжения потребителей: радиальную, магистральную, смешанную.

Радиальная схема электроснабжения предусматривает применение трансформаторной подстанции для каждого потребителя. Это очень надежная схема электроснабжения, но требует большого количества подстанций.

Магистральная схема предусматривает лишь несколько подстанций, которые включаются в линию электропередачи. К каждой подстанции подключается много потребителей.

Смешанная схема предусматривает участки с радиальным и магистральным включением. Потребители подключаются дифференцированно. Такая схема применяется чаще.

Схема электроснабжения автономной энергетической единицы может быть довольно оригинальной. Особенности электроснабжения зависят от функциональных задач исполнительных механизмов, условий эксплуатации, особых требований, касающихся массы, габаритов, КПД электрических устройств и т.п.

Электроснабжение промышленных предприятий . Около двух третей всей электроэнергии потребляется промышленностью. Схема электроснабжения промышленных предприятий строится по ступенчатому принципу, число ступеней зависит от мощности предприятия и схемы размещения отдельных потребителей электроэнергии. На первой ступени напряжение энергосистемы подводится к главной подстанции, где оно от 110-220 кВ снижается до 10 -6 кВ. Сети второй ступени подводят это напряжение к цеховым трансформаторным подстанциям, где оно понижается до напряжения потребителей. Третью ступень составляют сети, распределяющие напряжение цеховой подстанции между отдельными потребителями.

На крупных предприятиях с большим потреблением электроэнергии питание потребителей может осуществляться при напряжении 660 В. Большинство предприятий используют трехфазные сети 380/ 220 В. В помещениях с повышенной опасностью допустимое напряжение питания потребителей не должно превышать 36 В. В особо опасных условиях (котлы, металлические резервуары) – 12 В.

По требуемой надежности питания потребители электрической энергии делят на три категории. К первой категории относятся такие потребители, перерыв в снабжении электроэнергией которых связан с опасностью для людей или влечет за собой большой материальный ущерб (доменные цехи, котельные производственного пара, подъемные и вентиляционные установки шахт, аварийное освещение и др.) они должны работать непрерывно. Для потребителей второй категории (самых много численных) допускаются перерывы в питании на ограниченное время. К потребителям третьей категории относятся вспомогательные цехи и другие объекты, для которых допускается перерыв в электроснабжении до одних суток.

Для повышения надежности энергоснабжения предусматривается питание потребителей от двух независимых сетей и автоматически включаемого резервного источника электроэнергии. Различают «горячий» и «холодный» резервные источники. «Горячий» резервный источник обеспечивает немедленное аварийное питание, его используют для безаварийной остановки потребителя.

Дальнейшее улучшение систем электроснабжения промышленных предприятий связано с повышением напряжения питания (с 220 до 380 В, с 6 до 10 кВ и т.д.) при максимально возможном приближении высокого напряжения к потребителям (глубокий ввод) и уменьшении числа ступеней трансформации.

Провода и кабели . Для прокладки воздушных линий используют различные виды голых проводов. Стальные однопроволочные провода изготовляют диаметром не более 5 мм. Наибольшее распространение находят многопроволочные провода, которые имеют высокую прочность и гибкость. Их производят из одинаковых проволок, число которых может достигать 37. диаметр проволок и их число подбирают таким образом, чтобы обеспечить наибольшую плотность упаковки проволок в проводе. Обычно 6, 11, 18 проволок располагают вокруг одной центральной и слабо закручивают. Многопроволочные провода бывают стальными, алюминиевыми, стальалюминиевые и из биметаллических проволок. В стальалюминиевых проводах часть проволок – стальная, часть – алюминиевая. Этим обеспечивается механическая прочность при повышенной электропроводности. Биметалличнские проволоки изготовляют электролитическим способом: стальную жилу покрывают слоем меди или алюминия.

Для электропроводки внутри помещений, как правило, используют изолированные провода из меди или алюминия. Изолированные однопроволочные провода имеют большую жесткость и площадь поперечного сечения не выше 10 мм 2 .

Многопроволочные провода производят из луженых медных или алюминиевых жил. Они удобны при монтаже и эксплуатации.

Для прокладки скрытых безопорных линий, а также для канализации электроэнергии, подводимой к подвижным объектам, служат электрические кабели. В кабеле провода двух или трехфазной линии заключены в прочную герметичную многослойную оболочку, что повышает надежность линий электропередачи. Кабели можно прокладывать под землей и под водой. Подземные кабели – основное средство канализации электроэнергии в крупных городах. Недостаток кабельных линий – их высокая стоимость.

Основы электробезопасности

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.

→ Основные определения

1. Основные определения и классификация электрических аппаратов
1.1. Основные определения
Электрическими аппаратами (ЭА) называются электро технические устройства для управления. потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов .
Электрические аппараты служат для коммутации, сигнализации и защиты электрических сетей и электроприемников, а также управления электротехническими и технологическими установками и находят исключительно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в электроэнергетике, в промышленности и транспорте, в аэрокосмических системах и оборонных отраслях, в телекоммуникациях, в коммунальном хозяйстве, в бытовой технике и т. д. При этом в каждой из областей диапазон используемой номенклатуры аппаратов очень широкий. Можно определенно сказать, что не существует области, связанной с использованием электрической энергии, где бы не применялись электрические аппараты.
В основе функционирования большинства видов электрических аппаратов лежат процессы коммутации (включения и отключения) электрических цепей. К основным явлениям, сопровождающим работу всякого электрического аппарата, относятся: процессы коммутации электрических цепей, электромагнитные и тепловые процессы. Под электромагнитными процессами понимают электромеханические и индукционные явления, электромагнитные взаимодействия элементов аппарата и др.
Тепловые процессы оказывают непосредственное влияние на работу аппарата и зависят от режима работы аппарата. Установлены для электрических аппаратов три вида режимов работы:
- длительный (в этом режиме при длительном прохождения тока аппарат нагревается до установившегося значения температуры);
- кратковременный (в этом режиме при отключенном состоянии между отдельными включениями температура нагрева аппарата снижается практически до температуры окружающей среды);
- повторно-кратковременный (температура нагрева за время паузы тока не успевает снизиться до температуры окружающей среды).
Два последних режима характеризуются относительной продолжительностью включения ПВ, %. Стандартные значения ПВ: 15; 25; 40; 60%.
1.2. Классификация электрических аппаратов
Исключительно широкий диапазон областей применения электрических аппаратов определяет многообразие видов их классификации.
Электрические аппараты классифицируют по признакам:
1) по величине рабочего напряжения - низковольтные (до 1000 В) и высоковольтные (более 1000 В);
2) по величине рабочего или коммутируемого тока - слаботочные (аппараты управления, защиты, сигнализации) и сильноточные, используемые в силовых цепях;
3) по выполняемой функции:
- коммутирующие аппараты: выключатели, разъединители, контакторы, магнитные пускатели;
- управления, защиты, сигнализации: реле различного типа, путевые и конечные выключатели (контактные и бесконтакные);
- командные: кнопки управления, ключи, командоконтроллеры и командоаппараты;
- аппараты защиты: разрядники, плавкие предохранители. К электрическим аппаратам относят также пускорегулиро вочные сопротивления.
По признаку коммутации и элементной базы электрические аппараты разделяются на:
- электромеханические
- статические
- гибридные.
Электромеханические аппараты отличаются наличием в них подвижных частей. Электромеханические аппараты имеют подвижную и неподвижную контактные системы, осуществляющие коммутацию электрических цепей.
Статические аппараты выполняются на основе силовых полупроводниковых приборов: диодов, тиристоров, транзисторов, а также управляемых электромагнитных устройств: магнитных усилителей, дросселей насыщения и др. Аппараты этого вида обычно относятся к силовым электронным устройствам, так как используются для управления потоками электрической энергии.
Гибридные электрические аппараты представляют со бой комбинацию электромеханических и статических аппаратов.
По функциональному назначению различают:
- аппараты управления НИ и ВН;
- аппараты распределительных устройств низкого напряжения;
аппараты автоматики.
Электрические аппараты классифицируют также:
по напряжению: аппараты НН - низкого (до 1000 В) И аппараты ВН - высокого (от единиц до тысяч киловольт) напряжения;
ПО значению коммутируемого тока: слаботочные аппараты (до 5 А) и сильноточные (от 5 А до сотен кило-ампер);
по роду тока: постоянного и переменного;
по частоте источника питания: аппараты с нормальной (до 50 Гц) и аппараты с повышенной (от 400 Гц до 10 кГц) частотой;
по роду выполняемых функций: коммутирующие, регулирующие, контролирующие, измеряющие, ограничивающие ПО току или напряжению, стабилизирующие;
- по исполнению коммутирующего органа: контактные и бесконтактные (статические), гибридные, синхронные, без дуговые.
1.3. Аппараты высокого напряжения
Аппараты высокого напряжения по функциональному признаку делятся на следующие виды:
- коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагрузки, разъединители);
- измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения);
- ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений);
- компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы);
- комплектные распределительные устройства.
К электрическим аппаратам относят также различные виды датчиков, имеющих законченное конструктивное исполнение. Назначением большинства датчиков, относящихся к электрическим аппаратам, является преобразование параметров раз личных по природе физических величин в электрические сигналы информационного характера. Такие датчики широко ис пользуются в различных системах автоматического управления.
1.4. Электрические аппараты управления
Электрические аппараты управления предназначены для управления режимом работы электрооборудования и подразделяются на следующие виды:
- контакторы;
- пускатели;
- контроллеры;
- электрические реле управления;
- командоаппараты;
- рубильники;
- электромагниты управления
- электроуправляемые муфты.
Контакторы служат для многократных включений и отключений электрической цепи при токах нагрузки, не превышающих номинальный, а также для редких отключений при токах перегрузки (обычно 7-10-кратных по отношению к номинальному). Род тока определяет конструктивные особенности контакторов. Поэтому контакторы переменного и постоянного токов обычно не взаимозаменяемые. Однако имеются контакторы, совмещающие в себе возможности коммутации как постоянного, так и переменного токов.
Пускатели предназначены для включения и отключения двигателей и отличаются от контакторов в основном наличием встроенной системы, осуществляющей защиту двигателей от токов перегрузки.
Контроллер - это электрический аппарат с ручным управлением, предназначенный для изменения схемы подключения электродвигателя к системе электропитания, а также для коммутации обмоток трансформаторов.
Электрические реле управления работают в схемах автоматического управления электроприводами. Коммутируемые токи не превышают 10 А, и поэтому дугогасительные устройства в них не применяются.
Командоаппараты предназначены для переключений в цепях управления силовых электрических аппаратов (контакторов, пускателей).
Рубильники рассчитаны практически на весь диапазон номинальных токов. Отключение электрической цепи рубильником обычно производится в обесточенном состоянии или при небольших токах.
Электромагниты управления применяются в исполнительных механизмах различного промышленного назначения, а также в качестве самостоятельного функционального блока.
Электроуправляемые муфты предназначены для передачи потока механической энергии или крутящего момента
ог ведущей части муфты к ее ведомой части.
В зависимости от рода связи между ведущей и ведомой
частями муфты подразделяются на три основных вида:
- электромагнитные муфты с механической связью;
- электромагнитные порошковые муфты;
- индукционные муфты.
1.5. Аппараты распределительных устройств
Аппараты распределительных устройств низкого напряжения (до 1000 В) предназначены для защиты электрооборудования от различных аварийных режимов, связанных с появлением токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимого снижения напряжения, появлением токов утечки на землю при повреждении изоляции, обратных токов и т. п.). Эти аппараты подразделяются на автоматические выключатели и низковольтные предохранители.
Автоматические выключатели (автоматы) включают ся и отключаются относительно редко. Автоматы на разные номинальные токи способны отключать большие токи короткого замыкания (до 150 кА). При этом отключение происходит с выраженным токоограничивающим эффектом. Автоматы имеют обычно сложные контактно-дугогасительные устройства.
Низковольтные предохранители служат для защиты электрооборудования от больших токов перегрузки и токов короткого замыкания. Различают предохранители с открытой плавкой вставкой, закрытые (плавкая вставка размещена в патроне) и предохранители с наполнителем, в качестве которого используется кварцевый песок, мел и др.
1.6. Электрические аппараты автоматики
Электрические аппараты автоматики - это технические средства, с помощью которых выполняются различные операции с сигналами (получение и сбор, считывание, формирование, обработка, преобразование, адресование, сравнение, хранение, размножение, изменение уровня, логические операции и т. п.), если хотя бы один из сигналов (на входе или выходе аппарата) электрический .
Соответствующие операции с неэлектрическими или электрическими сигналами выполняются в тракте переработки информации.
Сигналом называется воспринимаемая или передаваемая аппаратом информация о вещественном или энергетическом параметре. Под вещественным параметром понимают размер, плотность, цвет и т. п. Под энергетическим параметром - скорость, давление, температура, напряжение, ток, сокр, КПД.
Сигналы могут быть периодическими и непериодическими, непрерывными и дискретными.
Тракт переработки информации включает, как правило, следующие устройства:
- первичные преобразователи (датчики), преобразующие контролируемую (входную, как правило, неэлектрическую) величину в выходной электрический сигнал;
- распределители (коммутаторы), распределяющие информацию в виде электрических сигналов по различным каналам связи;
- сумматоры, логические элементы, регулирующие органы, обрабатывающие информацию, поступающую по различным каналам (входам) в виде электрических сигналов и вырабатывающие команду (сигнал) для исполнительных устройств;
- исполнительные аппараты.
К последнему типу устройств относятся собственно электрические реле автоматики, электрогидровентили, электрогидрокраны, электроклапаны, магнитные опоры и подвесы, задвижки и др.
Электрические реле автоматики - это устройства для защиты электрических систем, сетей и цепей, а также других объектов от несанкционированных режимов работы; для выработки сигналов, оповещающих о приближении нештатных ситуаций и об их наступлении; для усиления, размножения, обработки, кодирования и запоминания поступающей информации.
К разновидностям электрических реле автоматики относятся герконовые реле, основу которых составляют герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы), а также релейные аппараты с механическим управлением (входом) и электрическим выходом: кнопки, ключи, клавиатуры, тумблеры, микровыключатели.