Теоретическая часть

Тиристорный контактор переменного тока.

Цель работы –освоение принципа действия тиристорного контактора переменного тока и экспериментальное исследование его характеристик.

Теоретическая часть

На основе силовых полупроводниковых приборов (СПП) созданы электрические аппараты постоянного и переменного тока различного назначения: контакторы, пускатели, автоматические выключатели, регуляторы тока и напряжения и др. По многим характеристика они превосходят свои контактные аналоги. В частности, полупроводниковые аппараты имеют значительно более высокое быстродействие. Вследствие отсутствия подвижных частей и дуговых явлений им присущи относительно низкие эксплуатационные расходы и повышенных коммутационный ресурс. Отсутствуют также такие явления, как дребезг и сваривание контактов, характерные для электромеханических аппаратов. Все это обусловило широкое использование полупроводниковых аппаратов в автоматизированном электроприводе, сетях электроснабжения, системах автоматизации производственных процессов.

Коммутационные устройства переменного тока на основе СПП могут быть выполнены по различным схемам. Некоторые из них, наиболее часто применяемые в практике, приведены на рис. 1.

Рис. 1 Принципиальные схемы полупроводниковых аппаратов переменного тока

Первая схема (рис. 1, а) является основным вариантом исполнения силового блока коммутирующих аппаратов переменного тока. В ней используются два встречно-параллельно соединенных тиристора, каждый из которых может проводить ток лишь в одном направлении. Поочередное включение тиристоров в соответствии с изменением полярности напряжения сети обеспечивает прохождение синусоидального тока в нагрузке.

В конце каждого полупериода при снижении мгновенного значения тока нагрузки до величины, называемой током удержания, тиристор выключается. Очевидно, что для поддержания аппарата во включенном состоянии на входы тиристоров периодически, со сдвигом 180 градусов, должны подаваться импульсы напряжения, синхронизированные с напряжением сети или током в нагрузке. Эту функцию выполняет блок управления контактора (БУ). Также с помощью БУ можно осуществить задержку выдачи управляющих импульсов на тиристоры на некоторый угол α по отношению к нулевому значению питающего напряжения (рис. 2). Тиристоры в этом случае будут находиться во включенном состоянии лишь часть полупериода, называемою углом проводимости β. Изменением угла задержки включения, что соответствует изменению угла проводимости тиристоров, обеспечивается регулирование в нагрузке средних значений тока и напряжения. В результате, кроме выполнения функций коммутирования цепей, тиристорный контактор переменного тока способен осуществить регулирование напряжения и тока.

Коммутирующие устройства, выполненные по схемам рис. 1, б, в, сочетают в себе тиристоры и диоды. По принципу действия и выполняемым функциям они аналогичны рассмотренному выше устройству. Однако такое построение силовых блоков позволяет существенно упростить систему управления ими (БУ), так как в обоих случаях требуется лишь один источник управляющих импульсов. В работе используется схема, приведенная на рис. 1 в. Полная схема лабораторной установки приведена на рис. 3.

^{Рис. 3. Схема лабораторной установки}

Зависимость среднего тока через тиристор определяется по формуле:

Зависимость действующего тока через тиристор определяется по формуле:

α - угол задержки включения тиристоров;

U - действующее значение напряжения сети;

R_н - нагрузка контактора;

Зависимость действующего тока и напряжения в нагрузке при различных углах проводимости рассчитываются соответственно по формулам:

U_m - амплитудное значение напряжения;

При активно-индуктивной нагрузке форма тока в цепи не повторяет форму напряжения, так как возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию и спаданию тока. Поэтому ток через тиристор протекает в течение некоторого времени после изменения знака питающего напряжения.

Закон изменения тока тиристора, проводящего в положительный полупериод, можно получить, решив дифференциальное уравнение

Это уравнение справедливо в интервале α≤ϑ≤α_выкл, вне которого i_H=0 (α_выкл – угол выключения тиристора).

Решение для тока

Где φ=arctg(ωL_H/R_H);

τ_H=L_H/R_H;

А - постоянная интегрирования, которая определяется из условия, что при ϑ=α, i_H=0.

Выражение для тока нагрузки, а следовательно и для тока тиристора

Угол выключения тиристора α_выкл может быть определен из трансцендентного уравнения

которое получается из уравнения приведенного выше, при условии i=0 при ϑ=α_выкл=α+β. Результаты решения представлены на рис. 4.

Рис. 4 Связь угла управления с углом выключения при активно-индуктивной нагрузке

При α=φ свободная составляющая тока не возникает, и ток определяется только принужденной составляющей. Этот угол управления называется критическим α_кр, т.к. конец импульса тока через один тиристор совпадает с началом тока через второй. При α>α_кр ток нагрузки носит прерывистый характер, а при α<α_кр – непрерывный. Т.е. регулирование напряжения и тока нагрузки возможно только при изменении угла управления тиристоров в пределах α_кр<α<π.

Действующее значение тока тиристора определяется из выражения

А среднее значение – из выражения

Действующее значение напряжения в нагрузке