Лекция 13. бесконтактные электрические аппараты

План лекции:

1. Общие сведения.

2. Магнитные усилители.

3. Электронные аппараты.

4. Гибридные электрические аппараты.

1. Общие сведения.

Бесконтактным электрическим аппаратом называется устройство, предназначенное для включения и отключения электрических цепей без физического разрыва самой цепи.

Принцип действия бесконтактных аппаратов основан на использовании элементов, обладающих нелинейной вольтамперной характеристикой. Основными из них являются ферромагнитные сердечники с обмотками, обладающие нелинейностью индуктивности, и полупроводниковые приборы с нелинейным активным сопротивлением.

Блок-схема простейшего усилителя приведена на рис.10.а, в нем последовательно с напряжением питания включены нагрузка Z_н и управляемое нелинейное сопротивление Z_var (L = var, или R = var); эта цепь называется рабочей. Нелинейное сопротивление управляется от специального источника сигнала управления (чаше от источника постоянного напряжения U_y). Цепь, состоящая из источника сигнала управления, сопротивления Z_у и нелинейного сопротивления, называется цепью управления.

Нелинейные элементы включаются в рабочую цепь между источником питания и нагрузкой и могут изменять свое сопротивления электрическому току от сравнительно малого до большого.

Это изменение сопротивления осуществляется обычно с помощью специального элемента, обеспечивающего усиление мощности нагрузки. Поэтому большинство бесконтактных аппаратов называются усилителями (магнитными, полупроводниковыми).

2. Магнитные усилители

В зависимости от характера физических процес­сов, определяющих принцип работы магнитного уси­лителя, различают дроссельные и трансформаторные магнитные усилители. В дроссельных усилителях рабочая обмотка (об­мотка переменного тока) выполняет функцию дрос­сельной «заслонки», ограничивающей ток в нагрузке, включенной (обычно последовательно) в цепь рабочей обмотки. В трансформаторных усилителях цепь нагрузки электрически не связана с цепью питания.

На рис. 10б приведена схема простейшего дроссельного магнитного усилителя. В магнитном усилителе устанавливаются две рабочие обмотки с индуктивными сопротивлениями , соединенные последовательно. В среднем стержне с обмоткой управления магнитные потоки Ф₁ и Ф₂ рабочих обмоток имеют противоположное направление, взаимокомпенсируются и не индуктируют электродвижущую силу (ЭДС) в обмотке управления. Появление трансформаторной ЭДС в управляющей обмотке могло бы привести к нарушению работы цепей управления.

Рис.10.1. Блок- схема простейшего усилителя. Магнитный усилитель

Физическая картина процессов происходящих в магнитном усилителе, характеризуется, как и во всяком электромагнитном устройстве, двумя родами величин: магнитными и электрическими.

1. Переменный ток в рабочей обмотке зависит от общего сопротивления цепи Z, которое включает активное сопротивление цепи и индуктивное сопротивление обмоток рабочих . Ток по закону Ома для рабочей цепи переменного тока

(10.1)

Появление индуктивного сопротивления в обмотке обусловливается ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС. индуцируется в витках обмотки под действием изменяющегося магнитного потока, вызванного переменным током. Направлена ЭДС самоиндукции всегда так, чтобы препятствовать изменению тока. Она тем больше, чем больше скорость изменения тока в витках или пронизывающего их магнитного потока. Эта скорость зависит от частоты переменного тока.

2. В соответствии с законом полного тока, напряженность магнитного поля в сердечнике

(10.2)

где - число витков в обмотке управления; - ток в цепи управления; - средняя длина пути магнитного потока в сердечнике.

3. Индуктивное сопротивление рабочих обмоток

, (10.3)

где - угловая частота рабочей цепи; - индуктивность рабочих обмоток.

4. Индуктивность рабочих обмоток

(10.4)

где - постоянный коэффициент, зависящий от числа витков, геометрических размеров, материала сердечника; - магнитная проницаемость материала сердечников.

5. Зависимость индукции и магнитной проницаемости материала сердечников от напряженности магнитного поля приведена на рис. 10в.

6. Зависимость магнитной проницаемости материала сердечников от тока в цепи управления приведена на рис. 10г

С увеличением тока в цепи управления растет напряженность магнитного поля в сердечниках (формула 10.2). С увеличением напряженности магнитного поля растет индукция и соответственно уменьшается магнитная проницаемость (рис. 10в). С уменьшением магнитной проницаемости уменьшается индуктивность рабочих обмоток (формула 10.4) и уменьшается индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3). При уменьшении индуктивного сопротивления рабочих обмоток увеличивается ток в рабочей цепи .

Таким образом, изменяя ток в цепи управления можно управлять током в рабочей цепи.

Когда ток управления равен нулю, сердечник магнитного усилителя не намагничен (формула 10.2). Магнитная проницаемость сердечников (рис.10.г) индуктивность (формула 10.4) и соответственно индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3) достигают максимальных значений. При этом . Ток в рабочей цепи называется током холостого хода магнитного усилителя.

Напряжение на нагрузке (выходное напряжение) будет также мало, так как большая часть напряжения питания теряется в виде падения напряжения в рабочих обмотках. Следовательно, будет мала и мощность, поступающая к нагрузке от источника питания.

С увеличением напряженности магнитного поля возрастает магнитная индукция до момента магнитного насыщения сердечника, после которого индукция остается постоянной (рис. 10.в). Магнитная проницаемость сердечников (рис.10.г) индуктивность (формула 10.4) и соответственно индуктивное сопротивление рабочих обмоток (формула 10.3) достигают максимальных значений. При этом . Ток в рабочей цепи .

Когда сердечники пере­ходят в насыщенное состояние, ЭДС самоиндукции рабочих обмоток практически исчезает и все напряжение питания ока­зывается приложенным к на­грузке.

Зависимость тока в рабочей цепи от тока управления при постоянном напряжении источника питания называется характеристикой управления магнитного усилителя. Характеристика управления симметрична относительно оси тока , так как при изменении направления подмагничивающего тока электромагнитные процессы в усилителе не изменяются (рис. 10.д).

Коэффициентом усиления, наиболее полно характеризующим магнит­ный усилитель, является коэффициент усиления по току - наклон характеристики управления на линейном участке а - б.

Для изменения коэффициентов усиления и увеличения стабильности работы МУ в них применяются обратные связи. Обратной связью называется воздействие управляемой величины на вход системы управления (рис. 10.ж). При этом изменяется характеристика управления (рис. 10.з).

Применительно к магнитным усилителям обратной связью будет дополнительное подмагничивание сердечника за счет тока в рабочей цепи. Если при этом увеличение выходного тока увеличивает подмагничивание, обратная связь называется положительной. Такая обратная связь повышает коэффициент усиления. Если увеличение выходного тока уменьшает подмагничивание, обратная связь называется отрицательной, она снижает коэффициент усиления.

По схеме исполнения обратные связи в магнитных усилителях могут быть внешними, когда для обратной связи используется отдельная обмотка обратной связи, и внутренними, когда для обратной связи используются рабочие обмотки магнитных усилителей.

Бесконтактные коммутационные аппараты на магнитных усилителях. Характеристика «вход—выход» обычного контактного аппарата, представляющая собой зависимость тока нагрузки протекающего через контакты К и сопротивление нагрузки (рис. 10.1.и), от тока , проходящего через орган управления (например, катушку электромагнита ), имеет вид, показанный на рис. 10.1.к.

В диапазоне тока от нуля до тока трогания контакты К разомкнуты и ток через них не протекает ( ). При токе трогания аппарат срабатывает, контакты замыкаются и через них протекает ток нагрузки, определяемый напряжением цепи нагрузки и ее сопротивлением и не зависимый от тока . При уменьшении тока до тока отпускания аппарат возвращается в исходное положение и контакты К размыкают цепь тока нагрузки .

В магнитном усилителе также можно получить характеристику коммутационного режима, подобную изображенной на рис. рис. 10.1.к, если применить в нем сильную обратную связь. При токе управления рабочие обмотки «разрывают» рабочую цепь, а при токе управления «замыкают».

Полученная за счет сильной обратной связи характеристика коммутационного режима магнитного усилителя превратила его из аппарата с плавной коммутацией тока нагрузки в аппарат со скачкообразным его изменением, что свойственно контактным электрическим аппаратам. Магнитный усилитель в таком режиме осуществляет функции бесконтактного коммутационного аппарата.

Область применения магнитных усилителей весьма обширна. Они применяются в устройствах автоматического регулирования, управления и контроля. Используются для управления двигателями постоянного и переменного токов, в системах релейной защиты и сигнализации.

Электронные аппараты

В электронных аппаратах основным элементом, управляющим потоком электрической энергии являются коммутирующие бесконтактные электронные ключи. Функции бесконтактных ключей в настоящее время преимущественно выпол­няют силовые полупроводниковые приборы.

Силовые полупроводниковые приборы работают в качестве электронных ключей в двух явно выраженных состояниях – вклю­ченном, соответствующем высокой проводимости, и выключенном, соответствующем низкой проводимости. Физической основой большинства таких приборов являются полупроводниковые структуры с различны­ми типами электронной проводимости. Управление электронной про­водимостью позволяет осуществлять бездуговую коммутацию элект­рических цепей.

По принципу действия силовые полупроводниковые приборы раз­деляются на три основных вида: диоды, транзисторы и тиристоры.

По степени управляемости силовые полупроводниковые приборы разделяются на две группы:

- не полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние, но не наоборот, например, тиристоры (условно к этой группе можно отнести также и диоды, состояние которых определяется полярностью приложенного к ним напряжения);

- полностью управляемые приборы, которые можно переводить в проводящее состояние и обратно сигналом управления (например, транзисторы или запираемые тиристоры).

Сигнал управления формируется электронным устройством (формирова­телем), входящим в состав системы управления (СУ) аппарата, преобразователя или другого устройства, содержащего электронный ключ. Такое устройство именуют оконечным каскадом СУ или формирователем импульсов, а в технической литературе его часто называют драйвером (driver). Основная функция драйвера заключается в формировании сигнала управления, необходимого для включения или выключения ключа при воздействии информацион­ного сигнала малой мощности. Функционально драйвер аналогичен приводу электромеханического коммутационного аппарата.

Полупроводниковые силовые электронные ключи обладают следующими преимуществами по сравнению с коммутационными контактными аппаратами:

- отсутствие подвижной механической системы;

- бездуговая коммутация цепей, отсутствие электрического износа;

- очень высокое быстродействие, возможность плавного управления и регулирования тока;

- надёжная работа во взрывоопасных и агрессивных средах;

- возможность управления силовыми ключами при помощи маломощных сигналов;

- возможность управления сигналами малой величины в коммутируемых цепях;

- высокая стойкость к ударным механическим нагрузкам и вибрациям;

- отсутствие акустического шума во время работы.

Наряду с неоспоримыми преимуществами, силовым электронным ключам присущи следующие недостатки:

- зависимость электрических параметров от температуры, приложенного напряжения, наличия источников проникающей радиации и др.; существенные различия в электрических параметрах ключей одного типа и класса;

- невысокая глубина коммутации, т.е. отношение электрического сопротивления ключа в отключенном и включенном состояниях; отсутствие видимого разрыва цепи в выключенном состоянии, наличие остаточного тока, отсутствие гальванической развязки в коммутируемой цепи;

- ключи обладают односторонней прово­димостью тока и способны работать при напряжении одной полярности, за исключением отдельных интегральных или гибридных приборов, сочетающих качества различных полупроводниковых эле­ментов;

- в состо­янии высокой проводимости прямое падение напряжения на ключе составляет не менее 0,7-1,5 В (до 3-х В), что обусловлено контактной разностью потенциалов на границе полупроводниковых слоёв; отсюда – существенные потери мощности, преобразующиеся в теплоту и необходимость применения охладителей;

- невысокая устойчивость к электрическим перегрузкам; требуются специальные схемотехнические решения по защите ключей от перегрузок по напряжению и току, а также по скорости нарастания тока di/dt и напряжения du/dt;

- возможны ложные переключения от случайных импульсов с малой продолжительностью, которые могут проникнуть в цепь управления ключом при близких ударах молний, дуговых разрядах в контактных аппаратах, электросварке и т.д.

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преиму­щественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недоста­ток – трудность выключения – в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

На рисунке 10.2.а приведена силовая схема тиристорного контактора переменного тока в однополюсном исполнении в составе СУ и однофазного тиристорного ключа.

Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора VS1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании ключа К через диод VD3 и резистор R пройдет импульс тока управления тиристором VS1.В результате тиристор VS1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тири­стор останется в проводящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, аналогично включается тиристор VS2. Пока ключ К будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

В качестве примера рассмотрим тиристорный контактор переменного тока с управлением от анодного напряжения (рис.10.2.б.). Особенность полупроводниковых коммутационных устройств состоит в том, что они без принципиальных изменений в силовой части могут выполнять различные функции. Только заменой тиристоров (изменяется тип, класс по напряжению или группа прибора по динамическим параметрам) обеспечивается
расширение области применения аппаратов по току или напряжению.

Рис.10.2. Электронные и гибридные аппараты

Силовой блок контактора выполнен по схеме с встречно-па­раллельным соединением тиристоров VS1 и VS2. Управление им осуществляется с помощью цепи, состоящей из резисторов R1, R2, R3 и механического контакта S. Эта цепь подключена параллельно тиристорам, поэтому при замкнутом ключе S напряжение на ее элементах, и в частности на резисторах R1 и R3, 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 VS1, и снимаемое с рези­стора R1 напряжение превышает значение отпирающего напря­жения, тиристор VS1 включается. При изменении полярности напряжения таким же образом происходит включение тири­стора VS2.

Диоды VD1 и VD2 в схеме необходимы для защиты управляющих цепей тиристоров от обратного напряжения при отрицательном напряжении на их анодах.

Регулируемый резистор R2 в управляющей цепи выбирается из условия ограничения амплитуды импульса тока управления до допустимого для используемых тиристоров значения.

Изменением сопротивления резистора R2 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 a_max, который можно обеспечить резисторной управляющей цепью, равен 90°. Сам процесс регулирования тока (напряжения, мощности) в цепи посредством изменения угла задержки включения тиристора a называют фазовым регулированием.