В комбинированных аппаратах, содержащих одновременно контактные устройства и различные схемные комбинации СПП, наиболее эффективно реализованы преимущества обоих типов аппаратов и вместе с тем исключены многие их недостатки. Достигается это в результате разделения функций, выполняемых контактными устройствами и электронными схемами: замкнутое и разомкнутое положения обеспечиваются контактными устройствами, а электронные цепи вводятся в действие только при изменении аппаратом коммутационного положения (т. е. при переходе из замкнутого положения в разомкнутое и наоборот).
Рис. 4. Варианты исполнения комбинированных аппаратов
К настоящему времени разработаны различные варианты комбинированных аппаратов, в которых СПП соединены последовательно или параллельно с контактными устройствами в главной и вспомогательной цепях. Принципиальные схемы простых аппаратов, выполненные с использованием неуправляемых и управляемых СПП, приведены на рис. 4. Во всех случаях цепи с полупроводниковыми приборами (на рис. 4 они условно изображены одним прибором) соединены параллельно с одним из контактных устройств.
Коммутационные процессы при отключении аппарата протекают качественно одинаково, независимо от типа используемых СПП. Поэтому рассмотрим их на примере наиболее простого контактно-диодного аппарата (рис. 4, а). Во включенном положении его дугогасительные контакты S1 и контакты отделителя S2 замкнуты. Диодная цепь VD при этом обесточена, так как падение напряжения на замкнутых контактах S1 недостаточно для перевода в проводящее состояние п последовательно соединенных СПП.
При отключении аппарата необходимо обеспечить размыкание дугогасительных контактов S1 в начале полупериода тока, полярность которого совпадает с проводящим направлением диодов (в интервале времени f2 ~ h на Рис- 7_5). В этом случае напряжение на образующейся электрической дуге ыя воздействует на диоды в прямом направлении. При достижении ия>ип = ипп (1/п — пороговое напряжение одного диода, п — число диодов), диодная цепь переходит в проводящее состояние. С этого момента времени ток в контактной цепи iK начинает уменьшаться, а в электронной — iyp — нарастать. Сокращение времени переходного режима fn, в течение которого ток полностью переходит в диодную цепь, достигается интенсивным воздействием на электрическую дугу, например, с помощью обдува ее газом.
Рис. 5. Диаграмма коммутационных процессов в контактно-полупроводниковом аппарате
Таким образом, создаются условия для быстрого гашения электрической дуги и последующей деионизации межконтактного промежутка до естественного перехода тока через нулевое значение. При изменении направления тока диоды запираются и на них воздействует восстанавливающееся напряжение. В течение времени, пока напряжение является обратным для диодов, необходимо разомкнуть контакты отделителя S2. Заметим, что для иллюстрируемого на рис. 5 случая отключения цепи с активно-индуктивной нагрузкой это время меньше полупериода. В пределе оно может быть близким к 5 мс, что приводит к необходимости использования быстродействующих приводов.
При включении аппарата последовательность замыкания контактов должна быть обратной: в полупериод напряжения, обратного для диодов, необходимо замкнуть контакты отделителя S2, а в течение следующего полупериода — дугогасительные контакты S1. Характерным для режима включения является 266
замыкание контактов SI при малых напряжениях, определяемых падением напряжения на проводящих диодах. Вследствие этого исключаются предварительный пробой промежутка при сближении контактов и связанные с ним явления эрозии, сваривания контактов. Но надо иметь в виду, что в комбинированных аппаратах существует опасность проявления этих же эффектов из-за высокой скорости нарастания тока в контактах после их соприкосновения. Поэтому конструкции контактного устройства и привода должны обеспечивать форсированное увеличение контактного нажатия до конечного значения.
Аппараты, выполненные по схеме рис. 4, б, по принципу действия и характеру протекающих процессов не отличаются от рассмотренных выше. Однако наличие двух диодных цепей с встречноориентированной проводимостью позволяет осуществлять отключение в любой полупериод тока. В результате сокращается собственное и, следовательно, полное время отключения аппарата.
Недостатки этого варианта — увеличение вдвое количества СПП и существенное усложнение конструкции механической части аппарата. Так как синхронизированное размыкание контактов осуществляется в последовательности, определяемой направлением тока в момент подачи команды на отключение, аппарат должен содержать два независимых быстродействующих привода. Жесткие требования предъявляются также к стабильности срабатывания приводов: разброс времени их срабатывания должен быть малым. Достижение высокого уровня функциональной надежности при таком исполнении силовой части аппарата представляет сложную задачу.
Значительное упрощение приводного механизма и аппарата в целом можно получить при отказе от синхронизации размыкания контактов с соответствующим полупериодом тока. В этом случае оба контакта, управляемые общим приводом, размыкаются одновременно и в любую фазу тока. В результате на обеих контактных парах возникает электрическая дуга, но на одной из пар она гаснет из-за шунтирующего действия диодной цепи. На других контактах, направление тока в которых не совпадает с проводящим направлением диодов в шунтирующей цепи, электрическая дуга поддерживается до конца полупериода (до изменения направления тока). Максимальная длительность воздействия дуги на контакты, равная примерно 11 мс, соответствует наиболее неблагоприятному режиму, когда размыкание происходит в относительно узком интервале времени перед переходом тока через нулевое значение. В этом случае процесс перехода тока из контактной цепи в диодную не завершается или не успевает восстановиться электрическая прочность межконтактного промежутка и он вновь пробивается в начале следующего полупериода.
При большом числе отключений размыкание контактов S1 и 52 происходит с равной вероятностью как в интервале положительного (условно) так и в интервале отрицательного полупериода. Тот же закон определяет равномерное распределение момента размыкания контактов в пределах каждого полупериода. В результате длительность воздействия электрической дуги на контакты уменьшается и, как следствие, увеличивается коммутационный ресурс аппарата. Причем по сравнению с аналогичными аппаратами без шунтирующих диодных цепей, где гашение электрической дуги обеспечивается за один полупериод, увеличение ресурса составляет не менее 150 %.
Возможности комбинированных аппаратов могут быть существенно расширены при замене неуправляемых СПП тиристорами. Одна из наиболее простых схем контактно-тиристорного аппарата приведена на рис. 4, в. В ней силовой блок с встречно-параллельным соединением тиристоров (см. рис. 1) шунтирует только одни контакты с дугогашением. Но способность тиристоров находиться в закрытом состоянии при отсутствии управляющих сигналов и прямом напряжении позволяет осуществлять коммутационные операции в любой полупериод тока (напряжения).
Рассмотрим сначала взаимодействие контактного устройства и полупроводникового блока в режиме включения аппарата. Учитывая большое различие быстродействия контактного аппарата и СПП, команды на их включение нужно выдавать неодновременно. В первую очередь должна поступать команда на включение привода контактов. По истечении определенного времени, равного собственному времени включения аппарата, контакты S1 замыкаются. На рис. 6 момент соприкосновения контактов соответствует времени f2- С необходимым упреждением этого момента выдаются управляющие сигналы /у1 на тиристоры VS1, 268 для которых напряжение в рассматриваемом полупериоде является прямым. В результате включения тиристоров напряжение на сходящихся контактах снижается до уровня падения напряжения на проводящих тиристорах. После соприкосновения контактов тиристорная ветвь быстро обесточивается (/к = 0), так как сопротивление контактной цепи намного меньше суммарного сопротивления последовательно включенных тиристоров. Динамическое сопротивление одного тиристора на средние токи 800 - 1250 А гт да (0,5 - 0,1). 10'3 Ом.
В отличие от контактно-диодных аппаратов при применении контактно-тиристорных аппаратов в момент размыкания контактов на рис. 6) на тиристоры VS2 должны поступать управляющие сигналы /у2. Практически очень сложно обеспечить жесткую синхронизацию работы системы управления (СУ) тиристорным блоком с приводным механизмом контактов. Поэтому в большинстве коммутирующих устройств такого типа управляющие сигналы на входы тиристоров подаются со значительным упреждением момента размыкания контактов из-за нестабильности работы механической части аппарата.
Рис. 6. Диаграмма работы контактно-тиристорного аппарата, выполненного по схеме на рис. 4, в
Как и в схемах с диодами, в контактно-тиристорных аппаратах размыкание контактов и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка должны завершаться до перехода тока через нулевое значение. Если конструкция аппарата не обеспечивает синхронизированного отключения цепи, контакты могут размыкаться в любую фазу тока, в том числе и в критическом интервале полупериода перед нулевым значением тока (критический — недостаточный для полного перехода тока в шунтирующую полупроводниковую цепь). В последнем случае необходимо, чтобы СУ обеспечивала выдачу управляющих импульсов в начале следующего полупериода на тиристоры другой ветви.
Характеризуя возможности контактно-электронных аппаратов в целом, отметим наиболее важные их особенности. Во всех вариантах исполнения аппаратов полупроводниковые приборы (диоды или тиристоры) шунтируют межконтактные промежутки в интервалах изменения коммутационных положений. Длительность протекания тока по СПП не превышает 10 мс. За такое время выделяющаяся в структуре теплота не распространяется за пределы элементов конструкции, непосредственно к ней прилегающих. Поэтому исключается необходимость не только в системе принудительного охлаждения, но и в самих охладителях. В результате существенно упрощается конструкция полупроводникового блока, уменьшаются его масса и габариты. Конструкция СБ при использовании приборов таблеточного исполнения показана на рис. 7. Основой ее является П-образный каркас с изоляционными (стеклотекстолитовыми) боковыми элементами 1 и стальными балками 2 и 7. Необходимые усилия сжатия приборов 5 обеспечиваются нажимным винтом 3. Вкладыш 4, в который шарнирно упирается нажимной винт, обеспечивает равномерное распределение давления по плоскости приборов. Резиновый демпфер 6 компенсирует линейное расширение приборов, обусловленное их нагреванием.
Рис. 7. Конструктивное исполнение полупроводниковых блоков для комбинированных аппаратов
Кратковременность нагрузки СПП током дает возможность максимально использовать их импульсную перегрузочную способность. При начальной температуре структуры (20±5) °С большинство приборов допускает нагрузку однополупериодным импульсом тока синусоидальной формы длительностью 10 мс с амплитудой, превышающей среднее значение тока в 8 — 10 раз. Например, диоды типа Д253-1600 способны выдерживать без ухудшения характеристик ток с амплитудой 12 кА. С уменьшением длительности импульса до 2 мс допустимая амплитуда тока возрастает примерно в три раза. В аварийных режимах, число которых за время службы СПП ограничено несколькими случаями, допустимая амплитуда тока увеличивается до 28 кА при длительности импульса 10 мс и до 44 кА — при 2 мс. Во многих случаях указанная нагрузочная способность достаточна для создания комбинированных аппаратов без параллельного соединения СПП в силовых блоках. При обеспечении размыкания контактов непосредственно перед началом следующего полупериода тока достигается наилучшее использование импульсной нагрузочной способности полупроводниковых приборов.