Гибридный контактор постоянного тока

 

Из-за наличия узла принудительной коммутации в ГА постоянного тока система управления КМ значительно усложняется, т. к. она должна обеспечивать:

- включение тиристора, шунтирующего ГК, с минимальным запаздыванием после размыкания ГК или при его вибрации;

- включение цепи принудительной коммутации основного тиристора с выдержкой времени, обеспечивающей расхождение контактов на 1-2 мм, чтобы избежать вторичного пробоя восстанавливающимся напряжением;

-блокирование включения цепи принудительной коммутации при неполностью заряженном коммутирующем конденсаторе;

- защиту от включения шунтирующего тиристора при токах, для которых не осуществляется принудительная коммутация;

- устойчивость к перенапряжениям при коммутации индуктивной нагрузки.

Структурная схема системы управления ГА представлена на рисунке 4.7.

Рис. 4.7

 

Датчик тока ДТ1 через токовое реле РТ обеспечивает включение основного тиристора VS 1 в заданном диапазоне тока нагрузки. Датчик тока ДТ2 формирует сигнал управления на включение тиристора VS 2 блока принудительной коммутации. Датчик тока ДТ3 блокирует РТ при токах, превышающих допустимый диапазон токов нагрузки.

Реле времени РВ обеспечивает задержку включения VS 2 на время полного перетекания тока из цепи ГК в VS 1 и расхождение контактов ГК на заданное расстояние.

Реле напряжения РН блокирует РТ при недопустимых колебаниях напряжения питания и недостаточном напряжении на коммутирующем конденсаторе С к, заряжаемом от блока питания БП.

Возможные варианты схем исполнения силовой части бесконтактного ключа, включенного параллельно ГК, и описание их работы приведены в разделе 3.1.

Типовые схемы нереверсивного и реверсивного ГА постоянного тока, использующие при выключении перевод тока из цепи ГК в цепь шунтирующего тиристора с последующей его принудительной емкостной коммутацией, представлены на рисунке 4.8.

Рис. 4.8 а) нереверсивный ГА, б) реверсивный ГА

 

Для реверсивного контактора, если ток в цепи ГК проходил в проводящем направлении тиристора VS 1, то для его выключения после подачи сигнала на отключения ГК должны подаваться управляющие импульсы для выключения тиристоров VS 3 и VS 4. При противоположном направлении тока будут использоваться тиристоры VS 2, VS 5 и VS 6.

Существенное уменьшение в массо-габаритных показателях ГА можно получить при использовании в полупроводниковой структуре двухступенчатую принудительную коммутацию (рис. 4.9).

Рис. 4.9

 

Здесь: VS 1 и VS 3 – низкочастотные тиристоры;

VS 2 – высокочастотный тиристор;

С 1, С 2 – коммутирующие тиристоры, предварительно заряженные с полярностью, показанной на рисунке 4.9;

L 1, L 2 – коммутирующие дроссели.

Изменение тока в контуре принудительной коммутации i_k и напряжений на конденсаторах С 1 и С 2, показанные на рисунке 4.10, поясняют работу схемы. При размыкании ГК в момент времени t =0 ток нагрузки перетекает в VS 1. В момент времени t = t 1 включается VS 2 и в контуре L 1- C 1- VS 2- VS 1 принудительной коммутации VS 1 развивается резонансный процесс, который приводит к началу выключения VS 1 при t = t 2.

Однако, начиная с t = t 3, за счет изменения полярности напряжения на С 1 отпирается диод VD 2 и процесс в этом контуре становится апериодическим. Это увеличивает интервал времени, предоставляемый VS 1 для восстановления его запирающей способности.

Использование двухступенчатой коммутации позволяет на порядок уменьшить общую емкость коммутирующих конденсаторов, но при этом усложняется система управления ГА.

Рис. 4.10

 

Схема управления ГК постоянного тока, с использованием трансформатора тока (ТА) приведена на рисунке 4.11.

Рис.4.11

 

В ней при замыкании ГК магнитопровод ТА перемагничивается в состояние отрицательного насыщения. Одновременно через геркон, управляемый током нагрузки, включается тиристор VS 1, шунтирующий ГК на время их включения. Во включенном состоянии ГА тиристоры обесточены и коммутирующий конденсатор Ск разряжен.

При отключении ГК ток нагрузки под действием короткой дуги и при наличии управляющего сигнала на VS 1 переходит в цепь тиристора, при этом ток обмотки w 2 перемагничивает ТА в состояние положительного насыщения. После полного перехода тока в цепь тиристора VS 1 управляющий сигнал с него снимается. Под действием ЭДС, наводимой в обмотке w 3, через диод VD 2 заряжается конденсатор С к. Полярность напряжения на Ск приведена на рисунке 5 (без скобок). При достижении напряжения на С к заданного уровня подается сигнал на включение тиристора VS 2, который обеспечивает выключение VS 1. Далее С к перезаряжается током нагрузки, приобретая полярность напряжения, указанную на рисунке 5 в скобках. После снижения тока нагрузки ниже тока удержания VS 2 последний запирается, а С к разряжается в сеть через обмотку w 3 и диод VD.

При вибрации ГК происходит процесс, аналогичный выключению, но длительность его мала и С к не успевает зарядиться до необходимого уровня, при котором схема управления включает VS 2.

Схема гибридного контактора постоянного тока с улучшенными технико-экономическими характеристиками приведена на рисунке 4.12.

Рис. 4.12

Здесь:

- ГК1, ГК2, VT 1 и герконовый датчик тока P образуют главную цепь ГА;

- С 2, VD 2, VD 1, R 2, K1- цепь управления VT 1;

- VS 1, R 4, VT 2, VD 3, R 3, C 3, C 4, K2 – цепь выключения VT 1.

При включении ГА замыкаются ГК1 и ГК2, срабатывает герконовое реле и его контакты К1 и К2 замыкаются. Конденсатор С 3 быстро заряжается через резистор R 6. Транзистор VT 1 закрыт.

При выключении ГА за счет короткой дуги конденсатор С 2 заряжается через резистор R 2 и диод VD 1, обеспечивая напряжение управления U _упр для отпирания транзистора VT 1. Реле Р размыкает контакты К1 и К2, но напряжение управления U _упр поддерживается за счет заряда конденсатора С 2.

Длительность протекания тока через VT 1 составляет 3 мс, что достаточно для расхождения ГК1 на достаточное расстояние. Через 6-7 мс размыкается и ГК2, обеспечивая гальваническую развязку сети и нагрузки.

Временная задержка в 3 мс обеспечивается цепью выключения, т.к. после размыкания контакта К2 происходит заряд конденсатора С 4 от напряжения на конденсаторе С 3. После пробоя стабилитрона VD 3 открываются транзистор VT 2 и тиристор VS 1. При этом на транзистор VT 1 подается запирающее (отрицательное) напряжение и включается оптотиристор VD 4, шунтирующий нагрузку Z н. При вибрации ГК1 происходит процесс, аналогичный выключению ГА, но за время вибрации конденсатор С 4 не успевает зарядиться, следовательно, транзистор VT 1 не выключается.

В приведенной схеме IGBT транзистор может быть заменен GTO тиристором, практически не меняя принципиальной электрической схемы, а пересчитав лишь параметры цепи принудительной коммутации тиристора.