Транзисторные контакторы. 
Электронные аппараты

Контакторы предназначены для коммутации более мощных нагрузок, в первую очередь, двигателей. В отличие от электромеханических контакторов, выполняющих только включение и отключение нагрузки, электронные кон такторы без усложнения силовой части способны выполнять дополнительные важные функции, например управлять током нагрузки. В этом смысле они становятся контактором-регулятором.

Стандарты предусматривают изготовление контакторов на номинальные токи от 10 до 630 А. Выбор типа электронного ключа для контактора зависит от совокупности технических и экономических факторов и связан с конкретной ситуацией на рынке силовых полупроводниковых приборов. Более просты транзисторные контакторы, и они преимущественно используются на токи до 100 А.

На рис. 4.7, а, б приведены схема контактора-регулятора с импульсным регулированием тока нагрузки и диаграмма ограничения тока в нагрузке. Контроль величины тока осуществляется датчиком тока (ДТ). При возникновении перегрузки, например подключении сопротивления Z', общий ток в цепи начинает возрастать. В момент достижения током i_s порогового значения /_пор транзистор выключается и начинается спад тока, который при индуктивном характере нагрузки протекает через обратный диод VD. Эта схема может также обеспечить плавное нарастание тока (рис. 4.7, в), например при подключении осветительной нагрузки или пуске электродвигателя.

Рис. 4.7. Транзисторный контактор с ограничением и регулированием тока:

а — принципиальная схема; б — диаграммы тока и напряжения в режиме ограничения тока; в — диаграммы тока и напряжения в пусковом режиме Применение полупроводниковых приборов в устройствах, непосредственно связанных с питающей сетью, требует решения вопросов гальванической развязки и защиты от коммутационных перенапряжений. Например транзисторный ключ имеет общую электрическую точку — эмиттер. Поэтому схемы управления электронного аппарата оказываются гальванически связанными с коммутируемой нагрузкой. Во многих случаях это недопустимо схемотехнически или запрещается по технике безопасности. Для гальванической развязки, как правило, используют различные оптоэлектронные приборы, в частности оптронные пары в интегральном исполнении. В оптроне светоизлучающий диод и выходной фототранзистор конструктивно отделены оптико-прозрачным изолирующим материалом, выдерживающим относительно высокое пробивное напряжение. На рис. 4.8, а приведена упрощенная схема электронного аппарата с гальванической развязкой на основе оптронной пары. Гальваническая развязка может быть выполнена и на основе трансформаторов, с введением для передачи сигнала промежуточного звена переменного тока повышенной частоты (рис. 4.8, б).

Рис. 4.8. Методы гальванической развязки между системой управления и силовой частью электронного аппарата.

Большинство источников электропитания обладают внутренним сопротивлением активно-индуктивного характера. Коммутируемая нагрузка преимущественно также имеет индуктивную составляющую. Наличие индуктивностей существенно влияет на процессы коммутации, замедляя нарастание тока при включении цепи и вызывая перенапряжения при отключении. Подробно анализ этих явлений и способы ограничения перенапряжений рассмотрены в гл. 1. Здесь же кратко рассмотрим эти вопросы с учетом функциональных особенностей коммутационных аппаратов.

Электронные коммутационные аппараты обычно рассчитаны на отключения аварийных токов, например при частично или полностью короткозамкнутой цепи нагрузки (рис. 4.9, а). В этом случае, а индуктивностях может накапливаться значительная энергия, вывод которой для исключения недопустимых перенапряжений усложняет задачу коммутации. На рис. 4.9, б представлена упрощенная схема силовой части транзисторного контактора, в которой перенапряжения, создаваемые индуктивностью нагрузки /-_нэкв, устраняются установкой обратного диода, а перенапряжения, обусловленные индуктивностью со стороны сети Z,_BX, понижаются до допустимого уровня при помощи варистора.

Предположим, что к моменту начала выключения реле (t — t₀) ток i_VT в коммутируемой цепи достиг значения /_тах (рис. 4.9, в). При этом во входной индуктивности будет накоплена энергия L_BX/^_ax/2, а в индуктивности нагрузки — LJl^/2. Если воспользоваться моделью транзисторного ключа как генератора линейно спадающего тока с фронтом ?_выо = f, — f₀, определяемым параметрами транзистора, то перенапряжения будут определяться скоростью спада тока i_VT, равной в данном случае /_тах/?_ВЬ|КЛ. Обратный диод позволяет полностью устранить перенапряжения от индуктивности нагрузки, но при этом надо учитывать, что затягивается спад тока в нагрузке (рис. 4.9, в).

Рис. 4.9. Влияние входных и выходных индуктивностей на процесс выключения электронного аппарата:

а — отключение короткозамкнутой цепи нагрузки; б — транзисторный контактор с защитой от перенапряжений; в — диаграммы его работы Ограничение перенапряжений от индуктивности L_BX требует установки разных энергопоглотителей, в частности варистора — элемента с ярко выраженной нелинейной ВАХ. Очевидно, что напряжение пробоя вариатора U_VAR должно быть ниже напряжения, допустимого для транзистора. С другой стороны, при уменьшении значения U_VAR возрастает время выключения аппарата. Допустим, что весь спад тока i_s происходит по линейному закону через варистор (см. рис. 4.9, в). Тогда вся накопленная во входной индуктивности энергия 1_вх/|_от/2 рассеивается в варисторе в виде тепла. Поскольку обратный диод открыт, время спада тока в варисторе до нуля, т. е. время выключения ?_ВЬ|КЛ, будет определяться разницей напряжений варистора U_VAR и источника Е: