Тиристорный контактор своими руками

Обновлено: 06.01.2025

В процессе различных переключений с использованием электромагнитных пускателей, реле, контакторов и другой аппаратуры, в коммутирующем органе изменяется электрическое сопротивление. В данных приборах эту функцию выполняет промежуток между контактами. В замкнутом состоянии сопротивление становится очень маленьким, а по мере размыкания контактов оно начинает возрастать.

Такие изменения происходят очень быстро, в скачкообразном порядке и сопровождаются разрывом цепи. В некоторых случаях требуется избежать такого разрыва, поэтому в таких цепях для коммутации используются бесконтактные приборы. Типичным представителем этой группы является тиристорный контактор, в состав которого входят тиристоры, имеющие нелинейное электрическое сопротивление, способное изменяться в сторону увеличения или уменьшения.

Принцип действия тиристорного контактора

Действие тиристорного контактора основано на бесконтактной коммутации. Данное физическое явление заключается в изменяющейся проводимости полупроводников, подключаемых в цепь вместе с нагрузкой. Во время работы не наблюдается видимых разрывов цепи, а сам процесс выглядит следующим образом: когда цепь выключена – проводимость полупроводника резко снижается, а сопротивление может достигать нескольких десятков МОм. После включения проводимость элемента восстанавливается, а сопротивление стремится к нулю и измеряется уже в миллиОмах (мОм).

Полупроводниковыми приборами служат различные виды симисторов, тиристоров и транзисторов, включаемых последовательно с нагрузкой в электрическую цепь. Их действие основано на явлении электронно-дырочного перехода (р-п), обеспечивающего одностороннюю проводимость от анода (р) к катоду (п).

На этих же принципах осуществляется работа тиристорного контактора или переключателя переменного тока. Наиболее часто используются схемы со встречно-параллельным включением тиристоров VS1 и VS2, отмеченных на рисунке. Вырабатывание импульсов производится блоком управления при переходе напряжения через нулевую отметку. Под действием импульсов тиристоры открываются поочередно, за счет их сдвига между собой на 180 градусов. В результате, в цепи начинается движение синусоидального переменного тока. Когда мгновенное значение тока нагрузки снижается, тиристоры выключаются.

Устройство и принцип действия

На сегодняшний день производителями налажено производство магнитных пускателей, которые находят применения во всех сферах промышленности, транспорте, повседневной деятельности человека. Они различаются по конструкции исполнения, сложности схемы управления, габаритным размерам, величине токовых нагрузок, степени защиты от воздействия внешней среды, но всех их объединяет то, что в основу их работы заложен один принцип.

Рисунок 1 Устройство магнитного пускателя серии ПМ12

Пластиковый корпус магнитного пускателя состоит из двух частей (2) и (3). В нижней части (3) располагается главный рабочий орган – магнитная система пускового устройства, состоящая из втягивающей катушки (6), якоря (4) и сердечника (7), набранных из Ш-образных пластин, изготовленных из электротехнической стали.

На средний керн неподвижного сердечника (7), который крепится к корпусу (3) пластиной (8), одевается втягивающая катушка (6) и возвращающая пружина (11). Для того чтобы смягчить динамическую нагрузку, между ней и железом сердечника устанавливается амортизатор (8).

В корпусе выполнены специальные направляющие пазы, по которым совершает возвратно-поступательные движения траверса (1). К траверсе жестко крепится подвижная часть магнитной системы (якорь) и мостик контактов пускателя (12)

На крайних кернах сердечника в специальных пазах крепится короткозамкнутый виток (5), обеспечивающий щадящий режим работы катушки.

При прохождении через витки катушки тока создается поле, под воздействием которого происходит втягивание в нее подвижной части магнитной системы исполнительного механизма. Перемещение якоря в сторону катушки увлекает за собой траверсу вместе с устройством замыкания-размыкания силовых, а также вспомогательных контактов пускателя. При обесточивании ПМ, возвратная пружина возвращает якорь на исходную позицию, что вызовет размыкание контактов.

В основании корпуса предусмотрен фиксатор, предназначенный для быстросъемного крепления пускателя к дин рейке.

Тиристорные контакторы постоянного тока

Контакторы постоянного тока имеют ряд индивидуальных особенностей и характеристик. Одной из них является возможность работы с гораздо более высокими частотами переключения, во время регулировок и преобразований тока и напряжения. Этим они заметно отличаются от тиристорных регуляторов, осуществляющих стабилизацию в цепях с переменным током. Устройства постоянного тока обеспечивают более высокий уровень быстродействия, и данный фактор в значительной степени определяет сферу их использования.

Основные схемы подключения пускателей

На практике, используется три основных вида схем подключения пускателей: прямая, реверсивная и звезда-треугольник. Каждая из них в свою очередь может быть разделена на подвиды в зависимости от напряжения.

Нереверсивная схема

Эта методика применяется, если нет необходимости менять в процессе работы направление вращения двигателя. В базовом исполнении, для 220 вольтовых катушек подобные схемы будут иметь вид:

Та же схема, но для 380 вольтовых катушек:

В состав каждой из них входят следующие элементы:

Автомат включения (QF),
Магнитный пускатель (KM1),
Блокирующие контакты (БК),
Реле тепловой защиты (P),
Двигатель асинхронного типа (M),
Предохранительный элемент (ПР),
Органы управления или кнопки (Пуск, Стоп).

После подключения питания через автоматический выключатель QF, нажимается кнопка Пуск, которая замыкает контакты и подает напряжение на КМ1 Он осуществляет ввод в работу двигателя. После этого, кнопку Пуск можно отпустить, так как сработает блокировка на контактах БК. Отключение питания в автоматическом режиме происходит при падении напряжения (размыкаются удерживающие контакты БК) или перегрузке (срабатывает тепловое реле или предохранитель). Также можно остановить подачу напряжения вручную, через кнопку Стоп.

Реверсивная схема

Когда есть необходимость менять направление вращения электродвигателя, используют реверс, который базируется на блоке пускателей. Схемы подключения устройств для 220 и 380 вольт будут иметь следующий вид:

Реверсивная схема схема №1

Реверсивная схема схема №2

Как можно видеть, здесь присутствуют те же элементы, что и в нереверсивных схемах, но добавлен еще один пускатель (КМ2) и кнопка для его запуска (Пуск2). Изменение направления вращения происходит за счет смены фаз. Но необходимо учесть ряд ключевых моментов, в частности предотвращение одновременного включения двух коммутаторов во избежание короткого замыкания. При подаче напряжения через автомат QF, включается пусковая кнопка на первый контактор (Пуск1, КМ1). В это же время происходит расщепление нормально замкнутых контактов БК1 перед реверсной кнопкой. Обратный ход включается аналогично, через Пуск 2, но перед этим необходимо отключить питание – Стоп (С).

Схема комбинации звезды и треугольника

В двигателях большой мощности часто используют интересный ход: первоначальный плавный ввод организовывается по звезде, а после выхода на необходимые обороты, автоматически переходят на треугольник. Это позволяет в том числе значительно снизить потребляемые пусковые токи. Примерная схема включения пускателя и реле времени в таком режиме будет иметь следующий вид:

Преимущества и недостатки

Несомненные плюсы тиристорных контакторов в сравнении с обычными устройствами заключаются в следующем:

При регулярных включениях и отключениях отсутствует электрическая дуга, вызывающая разрушение контактов у электромагнитных устройств.
Небольшой промежуток срабатывания дает возможность выполнять учащенные коммутации, практически без ограничений. Рабочие режимы могут быть не только длительными, но и повторно-кратковременными.
Отсутствуют движущиеся части, подверженные механическому износу. Поэтому срок эксплуатации тиристорных контакторов намного выше, чем у обычных устройств.
Бесшумная работа, благодаря особенностям конструкции.
Очень простой ремонт и обслуживание. Любую деталь контактора можно легко заменить в течение короткого времени без демонтажа основного устройства.
В случае необходимости тиристорный контактор легко переделывается под другой номинал тока. Для этого устанавливается подходящий тиристор с соответствующими техническими характеристиками.

Специфические виды пускателей и схемы их работы

Помимо типичных задач, эти устройства, в силу своего функционала, могут использоваться и в более специфических условиях. Рассмотрим их кратко на примере тиристорного пускателя, взрывозащищенных коммутаторов типа ПВР-125р и ПВИ-250 В, подключения через контакторы терморегуляторов и организация АВР.

Тиристорные пускатели и схема их включения

Особенность данного типа пусковых реле состоит в том, что в них не используется метод прямого физического разрыва цепи. То есть, они являются бесконтактными и в принципе лишены ключевых недостатков привычных устройств (механического износа контактов, образования дуги и т.д.). Правильно включить электродвигатель можно на тиристорных устройствах ПТ, схема подключения которых выглядит следующим образом:

В цепи задействованы следующие элементы:

Пускатели типа ПВР-125р и ПВИ-250 В

Электродвигатели используются не только в более-менее привычных нам условиях: к примеру, на различных горнодобывающих предприятиях, шахтах и т.п., где сохраняется потенциальная взрывоопасная обстановка, запыленность и прочие негативные факторы. Следовательно, исполнение пусковых устройств должно предусматривать подобные ситуации. В таких условиях находят применение релейные модули ПВР-125р и ПВИ-250 В(БТ).

Пускатель типа ПВР является реверсивным модульным блоком, который монтируется во взрывозащищенном корпусе. Он используется для ввода в работу трехфазных электродвигателей различно горнодобывающей техники, работающей в выработке угольных шахт. К ПВР предъявляются особые требования в части противодействия метану и пыли.

Пускатель ПВР-125р

Пускатель ПВИ-250 В (БТ, Д) используется в таких же условиях, как и ПВР, но исходя из маркировки обладает еще и искрозащитой. Предназначен для включения и выключения двигателей шахтной техники. Через ПВИ-250 обеспечивается дополнительная защита от возможных коротких замыканий или перегрузок в сети.

Пускатель ПВИ-250 В

Подключение терморегуляторов посредством пусковых реле

Теплый пол или обогреватель инфракрасного типа дополнительно комплектуются терморегуляторами, для поддержки необходимого температурного фона. Использовать их можно не только в бытовых, но и в промышленных масштабах. Примерная схема подключения такой системы, когда терморегулятор цепи подключают не напрямую, а через контактор, выглядит следующим образом:

Формирование АВР на пускателях

Еще одним случаем, когда востребовано использование коммутаторов, является обустройство систем АВР (аварийного ввода резерва). Таким образом повышается надежность электроснабжения, поскольку существует как минимум два его источника. Правильно организовать узел ввода на АВР можно по такой схеме:

Здесь можно видеть два источника питания (1 и 2), автоматические выключатели на каждой из линий (АВ1, АВ2), пускатели и их контактные узлы (ПМ1 и ПМ2). На случай, если источники электроэнергии не являются полностью независимыми (например, одна из линий идет от условного соседа), в схеме предусмотрено реле контроля напряжения РКН, которое выбирает гарантированную линию ввода.

Пусковые магнитные устройства являются одними из важнейших элементов для правильного ввода в работу электрооборудования, в частности, двигателей синхронного типа, в том числе и в опасных условиях шахт (речь идет о контакторах ПВР и ПВИ). Подключение может быть организовано по прямой, реверсивной и комбинированной схеме (звезда-треугольник). Кроме того, пускатели находят широкое применение и в других областях, где нет необходимости использования двигателей, например, для организации подвода питания к домовым сетям или к системам обогрева по терморегуляторам, по прямому или резервному источнику (АВР).

Принцип действия тиристорного контактора

ТИРИСТОРНЫЕ КОНТАКТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для коммутации силовых цепей переменного тока разработано много различных типов электрических аппаратов: автоматические выключатели, электромагнитные контакторы:

и др. Большинство из них основано на механическом взаимодействии отдельных узлов и деталей. Наличие подвижных узлов и деталей обусловливает инерционность процессов замыкания и размыкания электрических контактов. Обычно время включения и выключения таких аппаратов находится в диапазоне от десятых до сотых долей секунды в зависимости от типа коммутационного аппарата.

Полупроводниковые ключевые элементы позволяют существенно повысить быстродействие коммутационных аппаратов. С этой целью разработан ряд схем, так называемых бесконтактных коммутационных аппаратов, выполненных преимущественно на основе тиристоров. В литературе такие аппараты часто именуются тиристорными контакторами. Отсутствие подвижных частей и металлических контактных соединений делает эти устройства значительно более надежными и быстродействующими. Кроме того, как и все схемы с полупроводниковыми приборами, они обладают большим сроком службы.

В простейшем исполнении силовая часть однофазного тиристорного контактора представляет собой два встречно-параллельно включенных тиристора (рис. 1 а)или один симметричный тиристор. Если тиристоры проводят ток, то контактор включен, если тиристоры ток не проводят, то контактор выключен. Так как ток переменный, то одну полуволну тока проводит тиристор VS1, а другую — тиристор VS2. Различие между ними заключается в законе управления тиристорами. В регуляторе управляющие импульсы на тиристоры поступают с различными углами управления a, а в контакторе — таким образом, чтобы каждый тиристор проводил одну или несколько полных полуволн тока либо оба тиристора были выключены.

Поскольку тиристор является не запираемым по управлению элементом, то для его выключения необходимо обеспечить спадание тока до нуля. Если контактор включен в цепи с активным сопротивлением ZH = RH(рис. 1 а), то моменты прохождения через нуль тока и напряжения совпадают. При активно-индуктивной нагрузке ток отстает от напряжения, переход тока с одного тиристора на другой происходит позже па угол jн, который определяется коэффициентом мощности нагрузки (рис. 1 б). Для того чтобы выключить тиристор раньше момента прохождения тока коммутируемой цепи через нуль, необходимо применять искусственную коммутацию тиристоров.

В зависимости от того, выключаются тиристоры под воздействием естественного снижения переменного тока до нуля или посредством их искусственной коммутации, различают тиристорные контакторы с естественной коммутацией (ТКЕ) и искусственной коммутацией (ТКИ). Для того чтобы выключить ТКЕ, достаточно прекратить подачу управляющих импульсов на тиристоры. В этом случае максимальное время выключения тиристора не будет превышать половины периода выходного напряжения. Например, если прекратить подачу управляющих импульсов в момент включения очередного тиристора, то он будет проводить полуволну тока, т. е. в течение 180°, а другой тиристор уже не сможет включиться из-за отсутствия управляющего импульса.

При необходимости иметь время выключения меньшим, чем половина периода выходного напряжения, следует применять ТКИ. Однако в этом случае возникает проблема отвода энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, при обесточивании цепи, соединяющей источник электроэнергии с нагрузкой. Это связано с тем, что согласно основным законам коммутации ток в индуктивности не может изменяться скачком. Поэтому чем быстрее происходит отключение цепи, содержащей индуктивность, с током, отличным от нуля, тем большие перенапряжения возникнут на отключающем аппарате. Указанные перенапряжения являются следствием наведения ЭДС в индуктивности, препятствующей изменению значения тока нагрузки. Для устранения перенапряжений (опасных для элементов коммутационного аппарата) следует в случае применения ТКИ предусматривать возможность отвода или сброса энергии, накопленной в индуктивностях нагрузки, в какой-либо приемник или накопитель электроэнергии. В частности, таким приемником может служить конденсатор или источник переменного тока, способный принимать электроэнергию.

На рис. 2 а, представлена схема ТКИ, в которой отключение основных тиристоров VS1, VS2 производится с помощью колебательного контура, элементами которого являются конденсатор CK и реактор LK. Такие схемы в литературе иногда называют схемами с параллельной коммутацией. Когда ТКИ включен, то ток нагрузки протекает и один полупериод через тиристор VS1 и диод VD1; а в другой — через тиристор VS2 и диод VD2. Коммутирующий конденсатор Ск заряжен от маломощного вспомогательного трансформатора Тр с полярностью, указанной на рис. 2, и отделен от основных тиристоров и диодов коммутирующим тиристором VSK.

Для выключения основных тиристоров необходимо подать управляющий импульс на коммутирующий тиристор VSK. При этом в результате разряда конденсатора Ск в колебательном контуре возникает ток iK, который будет протекать через тот основной тиристор, который в этот момент проводит ток, и будет направлен навстречу этому току. Например, допустим, что ток нагрузки проводил тиристор VS1. При включении тиристора VSK через тиристор VS1 начинает протекать разность токов нагрузки iH и контура iK. Пока ток iK меньше тока iH, тиристор VS1 будет включен, а диод VD2 выключен, так как к нему приложено обратное напряжение, обусловленное падением напряжения на тиристоре VS1. При равенстве токов iH и iK тиристор VS1 выключается, ток iK продолжает возрастать, разность токов iK и iH будет протекать через диод VD. На интервале проводимости диода VD2 к тиристору VS1 будет приложено обратное напряжение, равное падению напряжения на диоде VD2. Когда ток iK станет меньше тока iH, диод VD2 выключается, и ток нагрузки iH начинает протекать по контуру диод VD3 — конденсатор СK — реактор LK — тиристор VSK — диод VD1 — нагрузка — источник — диод VD3. При этом будет происходить перезаряд конденсатора СK током нагрузки iH и энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, будет переходить в конденсатор СK. Это обстоятельство вызывает необходимость существенно завышать его установленную емкость или вводить в схему дополнительные устройства, поглощающие энергию.

Быстродействие рассмотренного ТКИ при использовании его для коммутации цепей с активной нагрузкой ограничено практически только временем выключения тиристоров (обычно десятки микросекунд). Однако при активно-индуктивной нагрузке это время увеличивается и зависит от параметров схемы и нагрузки.

Количество основных тиристоров в данном ТКИ может быть уменьшено до одного, как это показано на рис. 2 б.

Тиристорные контакторы постоянного тока

Преимущества и недостатки

Несомненные плюсы тиристорных контакторов в сравнении с обычными устройствами заключаются в следующем:

При регулярных включениях и отключениях отсутствует электрическая дуга, вызывающая разрушение контактов у электромагнитных устройств.
Небольшой промежуток срабатывания дает возможность выполнять учащенные коммутации, практически без ограничений. Рабочие режимы могут быть не только длительными, но и повторно-кратковременными.
Отсутствуют движущиеся части, подверженные механическому износу. Поэтому срок эксплуатации тиристорных контакторов намного выше, чем у обычных устройств.
Бесшумная работа, благодаря особенностям конструкции.
Очень простой ремонт и обслуживание. Любую деталь контактора можно легко заменить в течение короткого времени без демонтажа основного устройства.
В случае необходимости тиристорный контактор легко переделывается под другой номинал тока. Для этого устанавливается подходящий тиристор с соответствующими техническими характеристиками.

Управление тиристорным контактором

Если перегрузка была настолько кратковременной, что конденсатор С2

не успел зарядиться, то напряжение на выходе 7, 5 не появится и пускатель останется в работе. Если
Uc
станет больше напряжения переключения динистора
VD4,
произойдет разряд конденсатора
С1
на цепь управления тиристора
VS4
блока
Б2
и последний откроется. При этом прекратится генерация импульсов, открывающих
VS1
—
VS3,
и двигатель остановится. Параметр срабатывания блока защиты регулируется потенциометром
R1.
За счет усложнения блока защиты можно создать выдержку времени в зависимости от условия перегрузки. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов КЗ в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями
FU1
—
FU3
типа ПНБ-5.

Рис. 4. Тиристорный пускатель

По сравнению с контактными тиристорный пускатель обладает следующими преимуществами:

1. Отсутствие электрической дуги при коммутациях делает аппарат незаменимым при работе во взрывоопасных и пожароопасных средах.

2. Высокая электрическая износостойкость (15-10е циклов).

3. Совершенная защита от токов перегрузки и КЗ, а также при потере фазы, что обеспечивает увеличение срока службы двигателей.

4. Допустимое число включений достигает 2000 в час.

5. Длительность отключения не превышает 0,02 с.

6. Высокая надежность и долговечность, а также отсутствие необходимости в уходе при эксплуатации.

Недостатками тиристорного пускателя

являются сложность схемы, большие габариты и высокая стоимость. Несмотря на эти недостатки, бесконтактные пускатели находят широкое применение во взрыво- и пожароопасных производствах и других областях техники, требующих высокой надежности.

Способы и схемы управления тиристором или симистором

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Содержание статьи

Определение

Тиристор (тринистор) - это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый - значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор - двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания - это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора - он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения - на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление - тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ - система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами - схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени - достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках "zero crossing detector circuit" или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Заключение

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.
Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента приведена на рис. 9.1.9. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристоров. Если на аноде тиристора VS1

положительная полуволна напряжения, то при замыкании контакта
К
через диод
VD1
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 контакт
К
будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке.

Контакторы (пускатели).Тиристорные элементы (рис.9.1.9) являются основой однофазных и трехфазных контакторов. На рис. 9.1.10 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры VS1 — VS10,

которые открываются контактами
К11, К12, К13
реле
К1
(вперед) или контактами
К21, К22, К23
реле
К2
(назад). Трансформаторы тока
ТА1
и
ТА2
подают сигнал перегрузки в блок защиты
БЗ,
который, воздействуя на базу транзистора
VT,
снимает питание реле
К1
и
К2
и тем самым отключает пускатель.

Аналогично устроены тиристорные станции управления асинхронными нерегулируемыми электроприводами мощностью до 100 кВт типа ТСУ. Станции выполняют операции пуска, останова, динамического торможения и реверса двигателя.

Использование тиристоров в качестве бесконтактных аппаратов на постоянном токе затруднительно из-за проблемы отключения. Если в цепях

переменного тока тиристоры включаются автоматически при прохождении тока через нуль, то в цепях постоянного тока приходится применять специальные меры по принудительному снижению тока тиристора до нуля, т. е. производить так нарываемую принудительную коммутацию тока тиристора. Существует много разнообразных схем принудительной коммутации. Большинство из них содержит коммутирующие конденсаторы, которые в нужный момент с помощью вспомогательных тиристоров вводятся в цепь основного тиристора и включают

Рис. 9.1.9. Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента

На рис. 9.1.11 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS

включается цепь нагрузки
R
н, (ток через тиристор
i
T равен сумме токов нагрузки
i
Н и через конденсатор
i
С), коммутирующий конденсатор
С
заряжается до напряжения источника
U.
Полярность напряжения
ис
указана на рис. 9.1.11,
а
. Схема готова к отключению, и если в момент
t
1подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор
VSB,
то конденсатор С окажется включен ым

Рис. 9.1.10. Схема нереверсивного пускателя

параллельно тиристору VS,

ток нагрузки перейдет с тиристора
VS
на конденсатор
С
и тиристор
VS
выключится. Под действием ЭДС источника конденсатор будет перезаряжаться. Напряжение конденсатора
ис
изменится в процессе перезаряда от —
U
до
+U
(рис. 9.1.11,
б
), а ток
ic
постепенно спадет до нуля. Нагрузка
Rн
окажется отключенной от источника. Если теперь снова в момент
t2
включить нагрузку
Rн
, открыв тиристор
VS,
то опять конденсатор
С
зарядится до напряжения —
U
и схема будет готова к повторному отключению.

Таким образом, отключение тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Эта проблема решится окончательно лишь после

Рис. 9.1.11. Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а

) и диаграмма его работы (
б
)

Рис. 9.1.12. Схема бесконтактного выключателя Рис. 9.1.13. Осциллограмма отключения тока короткого замыкания

создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления.

Выключатели автоматические.На базе тиристорных элементов (см. рис. 9.1.9) выполняются автоматические бесконтактные выключатели серии ВА81 на токи до 1000 А. Они предназначены для защиты электрических установок в сетях напряжением 380/660 В переменного тока частотой 50 — 60 Гц при перегрузках и коротких замыканиях, а также для коммутаций с различной частотой включения. В этих выключателях применяется принудительное выключение тиристоров с помощью схемы принудительной коммутации (рис.

9.1.12). Основной тиристор VS1

серии Т-160 управляется импульсами от генератора повышенной частоты (на рисунке не показан). Выключение тиристора
VS1
производится разрядом конденсатора С через коммутирующий тиристор
VS2.
Последний включается от напряжения коммутирующего конденсатора
С
через маломощный тиристор
VS3,
что обеспечивает снижение мощности схемы управления. Конденсатор С

заряжается от напряжения сети через трансформатор и диод
VD1.
Каждый выключатель состоит из трех силовых блоков с встречно-параллельно включенными основными тиристорами.

Благодаря использованию принудительной коммутации тиристоров защита от коротких замыканий осуществляется с ограничением тока в процессе отключения. На рис. 9.1.13 изображена осциллограмма отключения тока короткого замыкания тиристорным выключателем. Кривая 1

показывает нарастание тока короткого замыкания при отсутствии защиты, а кривая 2 — при отключении тиристорного выключателя схемой принудительной коммутации. Как видно из рисунка, в этом, случае нарастание тока короткого замыкания прерывается и максимальный ток imax составляет не более 0,02 — 0,05 ударного тока короткого замыкания.

Устройства выходные (промежуточные реле).Схемы на рис. 9.1.9 широко используются в качестве коммутирующих устройств цепей управления исполнительных аппаратов (пускатели, контакторы, электромагниты, муфты и т. п.). Примером могут служить устройства выходные бесконтактные типа УВБ-11, которые предназначены для усиления выходных командных сигналов логических устройств и коммутации цепей нагрузки переменного и постоянного тока. Они рассчитаны на коммутацию цепей переменного тока до 6 А и напряжением до 380 В, цепей постоянного тока до 4 А и 220 В.

На рис. 9.1.14 приведена схема усилителя УВБ-11-19-3721, предназначенная для коммутации цепей переменного тока. В качестве коммутирующего элемента используется симистор VS

типа ТС2-25, зашунтированный варистором
R
для защиты . от перенапряжений. Включение симистора осуществляется путем соединения его управляющего электрода с одним из силовых выводов с помощью контакта герконового реле
К.
Это реле одновременно осуществляет и гальваническую развязку входной и выходной цепей. Выключение сеимистора

Принцип действия тиристорного контактора

1.2.2 Магнитный пускатель

Магнитный пускатель состоит как бы из верхней и нижней части (Рис.6).

Рис. 6 Устройство магнитного пускателя

В верхней части находится подвижная контактная система, дугогасительная камера и подвижная половинка электромагнита, которая механически связана с группой силовых контактов подвижной контактной системы (Рис. 7).

Рис. 7 Устройство верхней части магнитного пускателя

Нижняя часть пускателя состоит из катушки, возвратной пружины и второй половинки электромагнита (Рис.8). Возвратная пружина возвращает верхнюю половинку в исходное положение после прекращения подачи питания на катушку, тем самым, разрывая силовые контакты пускателя.

Рис. 8 Устройство нижней части магнитного пускателя

Обе половинки электромагнита набраны из Ш-образных пластин, сделанных из электромагнитной стали (Рис. 9). Это наглядно видно, если вытащить нижнюю половинку электромагнита.

Рис. 9 Электромагнит

Катушка пускателя намотана медным проводом, и содержит N-ое количество витков, рассчитанное на подключение определенного питающего напряжения равного 24, 36, 110, 220 или 380 Вольт (Рис.10).

Рис. 10 Катушка пускателя

При подаче напряжения питания в катушке возникает магнитное поле и обе половинки стремятся соединиться, образуя замкнутый контур. Как только отключаем питание, магнитное поле пропадает, и верхняя часть возвращается возвратной пружиной в исходное положение.

1.3 Категории применения магнитных пускателей

Для характеристики коммутационной способности магнитных пускателей переменного тока установлены четыре категории применения, являющиеся стандартны-ми: АС1, АС2, АС3, АС4. Каждая категория применения характеризуется значениями токов, напряжений, коэффициентов мощности или постоянных времени, условиями испытаний и других параметров установленных ГОСТ Р 50030.4.1-2002.

Магнитные пускатели категории АС-1 рассчитываются на применение в цепях электропечей сопротивления и коммутируют только номинальный ток.

Магнитные пускатели категории АС-2 рассчитываются на пуск электродвигателей с фазным ротором и коммутируют ток 2,5 I

Магнитные пускатели категории АС-З рассчитываются на пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и на отключение вращающихся электродвигателей и коммутируют ток 6-10 I

Магнитные пускатели категории АС-4 рассчитываются на пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и на отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей, они коммутируют токи 6-10 I

1.4 Питание и характеристиками магнитных пускателей

На боковой стенке пускателя (Рис.11), так же, как и у блока контактов, нанесена информ-ация об электрических параметрах пускателя и для удобства условно разделена на три сектора:

Рис. 11 Информация об электрических параметрах пускателя

Сектор №1

В первом секторе дана общая информация о пускателе и его область применения (Рис.12):

Рис. 12 Информация о пускателе и его область применения

50Гц – номинальная частота переменного тока, при которой возможна бесперебойная работа пускателя;

Категория применения АС-3 – двигатели с короткозамкнутым ротором: пуск, отключение без предварительной остановки.

Например: этот пускатель можно использовать для запуска и останова асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых в лифтах, эскалаторах, ленточных конвейерах, элеваторах, компрессорах, насосах, кондиционерах и т.д.

Iе 9А – номинальный рабочий ток. Это ток нагрузки, который в нормальном режиме работы может проходить через силовые контакты пускателя. В нашем примере этот ток составляет 9 Ампер.

Категория применения АС-1 – неиндуктивные или слабо индуктивные нагрузки, печи, сопротивления. Например: лампы накаливания, ТЭНы.

Ith 25A – условный тепловой ток (t° ≤ 40°). Это максимальный

Сектор №2

В этом секторе указана номинальная мощность нагрузки, которую могут коммутировать силовые контакты пускателя, и которая характеризуется категорией применения АС3 и измеряется в кВт Рис. 13).

Например, через контакты пускателя можно пропустить нагрузку мощностью 2,2 кВт, питающуюся переменным напряжением не более 230 Вольт.

Рис. 13 Информация о номинальной мощности нагрузки

Сектор №3

Здесь показана электрическая схема пускателя (Рис.14): катушка и четыре пары нормально разомкнутых контактов – три силовых (рабочих) и один вспомогательный. От катушки через все контакты проходит пунктирная линия, которая указывает, что все четыре контакта замыкаются и размыкаются одновременно.

Рис. 14 Электрическая схема пускателя

Напряжение питания 220В подается на катушку через контакты, обозначенные как А1

1.5 Устройство современных магнитных пускателей

Современные магнитные пускатели выпускают с двумя однотипными контактами от одного вывода катушки (Рис.15).

Их выводят с противоположных сторон, маркируют одинаковым буквенным и цифровым значением, и соединяют между собой проволочной перемычкой. В нашем случае это выводы с маркировкой А2

. Все это сделано для удобства монтажа схемы. И если придется собирать схемы с участием магнитного пускателя, используйте оба эти контакта.

Рис. 15 Устройство современных магнитных пускателей

1.5.1 Рассмотрим контактную группу пускателя

Силовыми контактами являются три пары (Рис.16): 1L1–2T1

;
3L2–4T2
;
5L3–6T3
— к ним подключается нагрузка, которую Вы хотите запитывать через магнитный пускатель или контактор. Причем контакты
1L1
;
3L2
;
5L3
являются
входящими
– к ним подводится напряжение питания, а
2Т1
;
4Т2
;
6Т3
являются
выходящими
– к ним подключается нагрузка. Хотя разницы здесь нет — что куда, но это считается за правило, чтобы можно было разобраться в монтаже другому человеку, не производившему монтаж.

Рис. 16 Силовые контакты магнитного пускателя

Последняя пара контактов 13НО–14НО

Тиристорные контакторы постоянного тока

Устройство магнитного пускателя

Все виды магнитных пускателей объединяют такие элементы конструкции, как электромагнит переменного тока, система подвижных и неподвижных силовых и вспомогательных контактов. Несущей частью является корпус из термостойких и негорючих пластиков. Эти пластмассы должны быть механически прочными и не деформироваться при повышенной температуре. Любой пускатель, как правило, трехфазный.

Контактные пружины, обеспечивающие плавность пуска
Подвижные контакты (мостики)
Неподвижные контакты (пластины)
Пластмассовая траверса
Якорь
Катушка пускателя
Ш-образная часть магнитопровода
Дополнительные контакты

Классификация магнитных пускателей делается по нескольким признакам, среди которых обычно главной является величина пускателя. Под величиной подразумеваются не габариты или вес пускателя, а то, какой ток он может коммутировать и насколько он устойчив к дуге в цепях с индуктивностями (при отключении электродвигателя). Основой является нереверсивный магнитный пускатель, так как реверсивные собираются из последних. Работа магнитных пускателей протекает в разных условиях, поэтому их также классифицируют по степени защищенности: открытое, защищенное, пылебрызгонепроницаемое.

Работа магнитного пускателя очень часто требует наличия теплового реле. Все типы магнитных пускателей имеют конструктивно совместимые тепловые реле. Часто их выпускает один и тот же производитель. Особенно важными применениями тепловых реле является защита электродвигателей от перегрева. Тепловое реле состоит из двухфазных биметаллических проводников (проводников с разными коэффициентами теплового расширения) – по одному на каждую фазу.

С электрической точки зрения, они являются резисторами с очень малым сопротивлением, и, таким образом, служат датчиками тока. Когда через фазы (или одну из них) протекает слишком большой ток, биметаллическая пластина изгибается и размыкает магнитные контакты, то есть контакты в цепи катушки пускателя. Подключение тепловых реле выполняется между пускателем и нагрузкой.

Все больше распространяются модульные пускатели. Это пускатели, монтируемые на DIN-рейку. Это металлическая профильная полоса, закрепляемая в шкафах на щите. Простота и легкость монтажа – исключительные. Рядом с пускателем (контактором) можно прикрепить тепловые реле, автоматы, УЗО (устройство защитного отключения), микропроцессорные контроллеры и многое другое. Модульные устройства очень легко собираются в схемы, благодаря каналам для проводов, проложенным между DIN-рейками. Монтаж выполняется зачищенными проводами необходимого сечения, обжатыми наконечниками. Наконечники вставляют в отверстия клемм приборов согласно принципиальной схеме и зажимают винтами.

На верхнюю сторону пускателей наносится маркировка, необходимая при монтаже и ремонте. Там есть обозначение типа, схема контактов и в некоторых случаях производители оставляют место для наклейки или подписи потребительских данных.

Большие успехи в силовой электронике, достигнутые за последние десятилетия, привели к тому, что большинство основных производителей теперь предлагают потребителям бесконтактные пускатели, содержащие мощные полупроводниковые ключи. У них есть определенные преимущества. Они работают бесшумно, не искрят, имеют высокую частоту переключений.

Некоторые модели благодаря ШИМ-контроллерам позволяют плавно пускать электродвигатели, а для автоматизации предусмотрены даже сетевые интерфейсы. К недостаткам можно отнести высокую цену, высокую квалификацию ремонтного персонала и небезопасную гальваническую связь с сетью, что может угрожать электрикам-ремонтникам.

Преимущества и недостатки

Несомненные плюсы тиристорных контакторов в сравнении с обычными устройствами заключаются в следующем:

При регулярных включениях и отключениях отсутствует электрическая дуга, вызывающая разрушение контактов у электромагнитных устройств.
Небольшой промежуток срабатывания дает возможность выполнять учащенные коммутации, практически без ограничений. Рабочие режимы могут быть не только длительными, но и повторно-кратковременными.
Отсутствуют движущиеся части, подверженные механическому износу. Поэтому срок эксплуатации тиристорных контакторов намного выше, чем у обычных устройств.
Бесшумная работа, благодаря особенностям конструкции.
Очень простой ремонт и обслуживание. Любую деталь контактора можно легко заменить в течение короткого времени без демонтажа основного устройства.
В случае необходимости тиристорный контактор легко переделывается под другой номинал тока. Для этого устанавливается подходящий тиристор с соответствующими техническими характеристиками.

Схема работы

Обращаем Ваше внимание на то, что мгновенное размыкание контактов произойдет не только, после намеренного отключения питания, но и если напряжение в сети упадет больше, чем на 60% от номинального значения.

Теперь Вы знаете, как работает магнитный пускатель. Как видно, схема работы устройства довольно простая. Наглядно увидеть принцип действия Вы можете на видео примерах ниже.

Читайте также: