Бесконтактные коммутаторы силовых цепей

Бесконтактные коммутаторы силовых цепей функционально подобны электромагнитным контакторам с главными контактами замыкающего типа. Роль главных контактов у бесконтактных коммутаторов выполняют электронные ключи, обычно тиристорные (см. [1], п. 6.4). Тиристорные коммутаторы называют также тиристорными контакторами [2].

Тиристорный коммутатор цепи постоянного тока в упрощенном варианте представлен электрической схемой на рис.2.8а.

Подключение на питание (U) нагрузки R_Н постоянного тока (приемника электрической энергии) и отключение от питания осуществляется тиристором VS по сигналам-командам х ₁ и х ₂, подаваемым на входы блока А управляемых ключей. Реакция блока А на х ₁ выражается в замыкании ключа 1, реакция на х ₂ – в замыкании ключа 2. Ключи 1 и 2 могут быть электромеханическими или электронными в зависимости от технической реализации коммутатора. Например, в коммутаторе малой мощности роль ключей могут исполнять кнопки управления. Резистор R₀ служит для ограничения величины тока управления тиристором. Также через R₀ заряжается конденсатор С, который используется для принудительного запирания тиристора при отключении нагрузки.

В отключенном состоянии коммутатора тиристор VS закрыт. На тиристоре падает напряжение U, тока в нагрузке R_Н нет (она отключена) и конденсатор С не заряжен.

Включение тиристора производится импульсным сигналом х ₁, то есть кратковременным замыканием ключа 1 в блоке А. При этом ток управления пройдет по резистору R₀, замкнутому ключу 1 и управляющему электроду тиристора, вызвав переход тиристор в проводящее состояние. Теперь на нагрузке R_Н будет падать напряжение U и по ней потечет ток I _Н, конденсатор С начнет заряжаться через R₀ до напряжения U, причем на его левой обкладке будет положительный потенциал. Процесс включения нагрузки отражен в левой части диаграмм на рис. 2.8б.

Отключение нагрузки производится импульсом х ₂, по которому замыкается ключ 2 на время, достаточное для разряда конденсатора С через замкнутый ключ 2 и тиристор VS (рис. 2.8а, рис. 2.8б). Ток разряда конденсатора, направленный в тиристоре навстречу току I _Н, снижает результирующий ток в тиристоре до значений, при которых тиристор закрывается, переходя в непроводящее состояние. Коммутатор возвращается в исходное отключенное состояние.

По аналогичному принципу с отключающим конденсатором выполняются коммутаторы на базе оптотиристоров, позволяющих гальванически развязать цепь управления от силовой цепи нагрузки. Применение двухоперационных (запираемых) тиристоров вместо обычных (однооперационных) упрощает силовую часть схемы коммутатора, так как отпадает необходимость в применении отключающего конденсатора.

Тиристорный коммутатор цепи переменного тока в упрощенном варианте представлен электрической схемой на рис.2.9а.

Приемник электрической энергии – нагрузка Z_H подключается на питание от источника переменного напряжения u электронным ключом, который имеет в своем составе два тиристора VS1 и VS2. Тиристоры включены встечно-параллельно, чтобы по нагрузке мог протекать переменный ток i _H. Перевод каждого тиристора в открытое (проводящее) состояние производится с помощью управляемого ключа (электромеханического или электронного), входящего в состав блока управления А. Ключ блока А замыкается по сигналу управления х и остается замкнутым, пока сигнал х действует на входе блока А. Для рассматриваемого коммутатора (аналога электромагнитного контактора) ключ блока А сохраняет замкнутое состояние на интервале времени, значительно превышающем период колебания напряжения u (см. рис. 2.9б).

Тиристорный ключ работает следующим образом.

Каждый тиристор попеременно находится под прямым и под обратным напряжением в соответствующие полупериоды переменного напряжения u.

Когда ключ блока А разомкнут, токи управления тиристорами не вырабатываются и тиристоры сохраняют непроводящее состояние. Нагрузка Z_H отключена от питания.

Если ключ блока А замкнут, то в начале полупериода напряжения u откроется тиристор, на котором падает прямое напряжение. Если это тиристор VS1, то он откроется током управления, текущим по цепи «диод VD2 – ограничивающий резистор R₀ – ключ блока A – управляющий электрод VS1 - анод VS1». Тиристор VS1 останется отрытым до конца полупериода напряжения u, а затем закроется, так как переменный ток нагрузки уменьшится до нуля. На следующем полупериоде напряжения u на тиристоре VS2 будет падать прямое напряжение, и он откроется током управления по цепи «диод VD1 – ключ блока А – ограничивающий резистор R – управляющий электрод VS2 – анод VS2». Тиристор VS2 сохранит открытое состояние до конца полупериода напряжения u, а затем закроется. Таким образом, тиристоры VS1 и VS2 будут попеременно открываться и закрываться в начале каждого полупериода переменного напряжения u, и по нагрузке Z_H будет протекать переменный ток i _H, когда замкнут ключ блока А (см. рис. 2.9б).

Чтобы обеспечить гальваническую развязку цепи управления и силовой цепи вместо обычных тиристоров применяют тиристорные оптопары (рис. 2.10).

Силовые оптотиристоры способны пропускать ток до 1500 А при напряжении до 4 кВ.

В качестве электронных ключей на переменном токе кроме однооперационных тиристоров применяют также симисторы.

Для коммутации силовых трехфазных цепей промышленность выпускает тиристорные контакторы типов ТКЕО и ТКЕП на номинальные токи до 250 А при напряжении 380 В [2].