CC BY
39
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
УДК 621.316.57 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-4-39-43
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ГИБРИДНОГО КОНТАКТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
© 2019 г. В.П. Гринченков, И.В. Васюков
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
MODELING THE DYNAMICS OF SWITCHING THE HYBRID DC CONTACTOR
V.P. Grinchenkov, I.V. Vasyukov
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Гринченков Валерий Петрович - канд. техн. наук, доцент, Grinchenkov Valeriy Petrovich - Candidate of Technical
кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Sciences, Associate Professor, Department «Electromechanics
Южно-Российский государственный политехнический and Electrical Apparatus», Platov South-Russian State
университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail:
Россия. E-mail grinvp@yandex.ru grinvp@yandex.ru
Васюков Иван Владимирович - мл. науч. сотр., НИИ Элек- Vasyukov Ivan Vladimirovich - Junior Researcher, Research
тромеханики, Южно-Российский государственный поли- Institute of Electromechanics, Platov South-Russian State Poly-
технический университет (НПИ) имени М.И. Платова, technic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail:
г. Новочеркасск, Россия. E-mail: vasuckov@gmail.com vasuckov@gmail.com
Представлен вариант исполнения гибридного электрического аппарата, построенного на основе параллельной работы электромагнитного контактора и полупроводникового ключа.
В программном комплексе LTspice представлена математическая модель гибридного контактора, позволяющая исследовать его динамику переключения с учетом вибрации контактов электромагнитного контактора. Приведены результаты моделирования процесса коммутации нагрузки.
Предложенная модель позволяет исследовать процесс коммутации на стадии проектирования и установить необходимые временные задержки в элементах схемы управления гибридным контактором.
Ключевые слова: гибридный аппарат; тиристорный ключ; вибрация контактов; LTspice модель; динамика коммутации нагрузки.
The article presents an embodiment of a hybrid electric apparatus based on the parallel operation of an electromagnetic contactor and a semiconductor switch.
In the LTspice software package, a mathematical model of a hybrid contactor is presented, which allows to study its switching dynamics taking into account the vibration of the contacts of the electromagnetic contactor. The simulation results of the load switching process are presented.
The proposed model allows us to study the switching process at the design stage and establish the necessary time delays in the elements of the hybrid contactor control circuit.
Keywords: hybrid device; thyristor switch; contact vibration; LTspice model; load switching dynamics.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
Основными направлениями модернизации электромагнитных контакторов, которые являются наиболее массовыми устройствами, использующимися в системах распределения электроэнергии, являются:
- снижение материалоемкости и энергопотребления;
- повышение надежности и коммутационной износостойкости;
- исключение электрической дуги при коммутации.
Использование новых материалов, обладающих улучшенными техническими характеристиками, и оптимизация параметров конструкции аппарата позволяют снизить его материалоемкость. Применение механических или магнитных защелок, исключающих потребление энергии контактором во включенном состоянии, уменьшает энергопотребление.
Бездуговая коммутация электрической цепи обеспечивается путем создания гибридного коммутационного устройства, в котором чаще всего параллельно главным контактам электромагнитного аппарата включается полупроводниковый ключ. Устройство управления аппаратом обеспечивает синхронную работу контактного и бесконтактного ключа.
Включение в конструкцию гибридного аппарата (ГА) полупроводникового ключа позволяет:
- уменьшить раствор и провал контактов;
- снизить мощность и габариты электромагнитного привода контактов;
- сократить межполюсные расстояния;
- повысить механическую и электрическую износостойкость;
- избавиться от громоздких и сложных схем дугогашения.
Несмотря на увеличение в целом габаритов аппарата за счет полупроводникового блока, монтажный объем при установке ГА в комплектное устройство сокращается из-за возможности исключения ионизированного пространства, необходимого в случае использования в нем контактного аппарата.
В технической литературе и патентах приводится множество схемотехнических и конструкторских решений для ГА различного назначения. В работах [1 - 3] рассматриваются гибридные контакторы постоянного и переменного тока, в которых полупроводниковый блок выполнен на различной элементной базе. Однако при анализе динамики переключения ГА не учитывается реальное взаимодействие полупроводникового бло-
ка и контактного узла, устанавливая лишь условия, которым они должны удовлетворять.
В представленной работе предлагается электрическая схема полупроводникового ГА постоянного тока (рис. 1) и модель для исследования динамики его переключения при совместной работе тиристорного ключа и контактного аппарата. В отличие от подобной, приведенной в [2], за счет исключения датчиков тока ГА имеет более простую систему управления. Кроме того, управление полупроводниковым ключом осуществляется от сети, а не от «короткой» дуги, возникающей на размыкающемся контакте.
б
Рис. 1. Электрическая схема ГА (а) и схема управления (б) / Fig. 1. Hybrid switching circuit diagram (а) and control circuit (б)
В качестве контактного аппарата используется конструкция, аналогичная контактору КНУ или МК-63, имеющих двухполюсную контактную систему и электромагнитный привод. В контактодержателе аппарата установлены два замыкающихся контактных мостика, перемещающиеся линейно. Мостиковая конструкция контактной системы позволяет увеличить падение напряжения на «короткой» дуге, возникающей при размыкании контактов, и ускорить переход тока из контакта в параллельно включенный полупроводниковый блок [3].
Включение ГА происходит после замыкания ключа S (см. рис. 1), через который напряжение управления ГА подается на обмотку электро-
a
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
магнитного привода контактора К и герконовое реле (ГР). Контакты герконового реле РК1 и РК2 подготавливают к работе цепи управления тиристоров. Через контакт РК1 подается напряжение управления для основного тиристора VS1, а через нормально замкнутый контакт РК2 поступает напряжение на цепь управления вспомогательного тиристора VS2 после включения VS1 или ГК2.
Контакт ГК2 должен замыкаться через 3 - 5 мс после замыкания ГК1 за счет линейного смещения его на 2 - 3 мм относительно ГК1 в контактодержателе. Для исключения влияния вибрации контакта ГК1 при включении ГА необходимо обеспечить задержку срабатывания ГР на 1 - 2 мс по отношению к моменту срабатывания ГК1. Эту же задачу обеспечивает дополнительная временная задержка сигнала управления VS1 с помощью интегрирующей ШС2 цепи.
Включившийся тиристор VS1 шунтирует ГК2, исключая возникновение электрической дуги при вибрации ГК2. Процесс включения ГА завершается после окончательного замыкания ГК2 и выключения VS1. Коммутирующий конденсатор С4 заряжается через резистор R4 до сетевого напряжения, обеспечивая принудительную коммутацию VS1 при отключении ГА. Цепь управления VS2 разорвана размыкающимся контактом РК2 герконового реле, что исключает включение Р52 в процессе включении ГА. Стабилитроны VD1 и VD2 ограничивают уровень напряжения в цепях управления тиристоров Р51 и
Аналогично при отключении ГА работа ГР должна быть синхронизирована с моментом размыкания ГК2. Для отключения ГА размыкается ключ и обмотки управления контактором и ГР обесточиваются. Однако герконовое реле остается некоторое время включенным за счет временной задержки, обусловленной наличием конденсатора С. Этот временной интервал должен быть больше, чем время отпускания и время перетекания тока из цепи ГК2 в тиристор Р51.
После отключения ГР сигнал управления с Р51 снимается, а на цепь временной задержки R3C3 включения он поступает через открытый тиристор Р51. Включение через 3 - 4 мс обеспечивает выключение Р51 коммутационным током разряда конденсатора С4. За этот интервал времени контакт ГК2 с одной стороны должен разойтись на расстояние, не допускающее пробоя получившегося воздушного промежутка восстанавливающимся напряжением на контакте
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
ГК2, с другой - тиристор VS1 должен выключить до размыкания ГК1.
Необходимые временные задержки при включении и отключении ГР задаются путем установки параметров R и С в цепи управления ГА, согласованных с порогами напряжения срабатывания и отпускания ГР.
После выключения тиристора VS1 контакт ГК1 размыкает силовую цепь без тока, обеспечивая полное выключение ГА и гальваническую развязку сети и нагрузки. Диод VD3 ограничивает уровень перенапряжения на ключах при коммутации индуктивной нагрузки. Защиту от внешних, сетевых перенапряжений обеспечивает варистор R5.
Процесс коммутации тиристоров однозначно связан с динамикой переключения контактной системы электромагнитного контактора. Достаточно полная модель динамики переключения электромагнитного контактора приведена в [4, 5]. В них используется упруго-вязкая модель соударяющихся контактов. Эта модель позволяет установить временные параметры при вибрации контакта, которые в дальнейшем будут определять динамику коммутации нагрузки ГА.
В статье рассмотрена упрощенная динамика включения и отключения нагрузки, в которой исследуются коммутационный процесс только в контакте ГК2. Аналогичные вибрационные процессы возникают в ГК1 и контактах герконового реле, но они завершаются раньше, чем происходит соударение ГК2 при включении ГА. Например, при средней величине ускорения контакта, равной 200 м/с2 [6], запаздывание соударения ГК2 относительно ГК1 составляет порядка 4 - 5 мс за счет линейного смещения ГК2 в контактодержа-теле. Это значительно больше, чем время вибрации геркона и ГК1, замыкающегося практически без тока.
Таким образом, представленная модель является типичной и для других исполнений ГА, построенных на принципе параллельной работы контактного и полупроводникового узлов.
В работах [3, 6] на основе обработки многочисленных экспериментальных исследований процесса коммутации нагрузки ГА установлено, что среднестатистическое значение числа повторного зажигания «короткой» дуги не превышает трех. При этом среднестатистическое значение времени перетекания тока в шунтирующую цепь составляет порядка 30 - 50 мкс, что значительно меньше временных интервалов
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
Рис. 2. Модель ГА / Fig. 2. Hybrid switching device model
вибрационного процесса и за счет искусственного разведения интервалов коммутации ГК1 и ГК2. Следовательно, вибрация контактов приводит в худшем случае к трехкратному повторению цикла включение-отключение в цепи кон-такт-шунтирующий ключ с временными интервалами, определяемыми механическими параметрами вибрирующего контакта до полного срабатывания ГА.
С учетом изложенного выше модель, описывающая динамику срабатывания ГА в программном комплексе ЬТ-зркв, приведена на рис. 2.
Модели контактных узлов представлены идеальными ключами, управляемыми от источников напряжения. Управляемые источники У7-У9 задают необходимые временные задержки, определяемые параметрами вибрации контакта ГК2. Источники У5-У6 задают последовательность работы контактов ГР, а источник У2 определяет цикличность замкнутого и разомкнутого состояний гибридного аппарата. В короткозамкнутый контур, возникающий при коммутации и состоящий из тиристора и ключа 52, входят также датчики тока и индуктивность Ь2, обусловленная монтажными соединениями в этом контуре.
В качестве примера полагаем, что исследуемый ГА должен коммутировать активно-индуктивную нагрузку при напряжении Ц=220 В и токе 100 А. На рис. 3 приведены осциллограммы циклической коммутации номинальной нагрузки.
100А 80А 60А 40А 20А ■
0А -10А ■
100А
80А
60А
40А
20А ■
0А -10А ■
100А 80А 60А 40А 20А
0А -10А ■
_!ЕЙ_
0ms
20ms
40ms
60ms
80ms
100ms
Рис. 3. Осциллограммы циклической коммутации номинальной нагрузки: ток основного тиристора (I(Rshunt)), ток коммутирующего тиристора (I(R6)) и ток ГК2 (I(S2)) / Fig. 3. Oscillograms of cyclic switching of rated load: shunt thyristor current (I(Rshunt)), trigger thyristor current (I(R6)) and current of main contact 2 (I(S2))
Отдельно (рис. 4) выделен временной отрезок начального этапа включения ГА, из которого видно, что при каждом отбросе контакта ГК2 ток нагрузки переходит в цепь тиристора VSI.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
Монтажная индуктивность Ь2 ограничивает скорость перехода тока. При этом ток в нагрузке остается непрерывным.
Рис. 4. Осциллограммы обмена током между ГК2 и VS1 при включении / Fig. 4. Oscillograms of current exchange between main contact 2 and VS1 thyristor when turned on
Аналогично на рис. 3 можно выделить временной интервал, соответствующий процессу отключения нагрузки, из которого виден переход тока нагрузки из контакта ГК2 при его размыкании в тиристор У31 с последующим выключением последнего через 3,5 мс за счет принудительной коммутации после включения тиристора УБ2.
Представленная модель ГА позволяет исследовать процессы срабатывания ГА и при необходимости вносить коррекцию в параметры схемы управления аппаратом. Уточнение представленной модели процесса коммутации нагрузки ГА потребует дополнения этой модели элементами, моделирующими динамику срабатывания и отпускания используемого электромагнитного контактора с учетом процессов, происходящих в его контактных узлах.
Литература
1. Сосков А.Г. Полупроводниковые аппараты: коммутация, управление, защита. Киев: Каравелла, 2005. 344 с.
2. Сосков А.Г. Усовершенствованные силовые коммутационные полупрводниковые аппараты низкого напряжения / Харьк. нац. акад. город. хоз-ва. Харьков: ХНАГХ, 2011. 156 с.
3. Могилевский Г.В. Гибридные электрические аппараты низкого напряжения. М.: Энергоатомиздат, 1986. 232 с.
4. Информатика и компьютерное моделирование в аппара-тостроении / А.Г. Никитенко, И.И. Левченко, В.П. Грин-ченков [и др.]. М.: Высш. шк. 1999.
5. Батищев Д.В., Павленко А.В. Электромагнитные приводы мехатронных устройств: учебно-методическое пособие по выполнению лабораторных работ / Юж.-Рос. гос. политехи. ун-т (НПИ) имени М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2017. 102 с.
6. Сосков А.Г., Рак Н.О. Исследование токораспределения между главными контактами и шунтирующей цепью с полупроводниковым ключом при отключении тока гибридным контактором / Электротехника и электромеханика, 2008. № 4. С. 48 - 52.
References
1. Soskov A.G. Poluprovodnikovye apparaty: kommutatsiya, upravlenie, zashchita [Poluprovodnikovye apparaty: kommutaciya, upravlenie, zashita]. Kiev: Karavella, 2005, 344 p.
2. Soskov A.G. Usovershenstvovannye silovye kommutatsionnye poluprvodnikovye apparaty nizkogo napryazheniya [Usovershenstvovannye silovye kommutacionye poluprovodnikovye apparaty nizkogo napryageniya]. Kharkov: KhNAGKh, 2011, 156 p.
3. Mogilevskii G.V. Gibridnye elektricheskie apparaty nizkogo napryazheniya [Gibridnye electrycheskie apparaty nizkogo napryageniya]. Moscow: Energoatomizdat, 1986, 232 p.
4. Nikitenko A.G., Levchenko I.I., Grinchenkov V.P. et al. Informatika i komp'yuternoe modelirovanie v apparatostroenii
[Informatika i komputernoe modelirovanye v apparatostroenii]. Moscow: Vyssh. shk., 1999.
5. Batishchev D.V., Pavlenko A.V. Elektromagnitnye privody mekhatronnykh ustroistv: uchebno-metodicheskoe posobie po vypolneniyu laboratornykh rabot [Electromagnitnye privody mechatronnyh ustroistv: uchebno-metodycheskoe posobie po vypolneniu laboratonyh rabot]. Novocherkassk: YuRGPU (NPI), 2017,102 p.
6. Soskov A.G., Rak N.O. Issledovanie tokoraspredeleniya mezhdu glavnymi kontaktami i shuntiruyushchei tsep'yu s poluprovodnikovym klyuchom pri otklyuchenii toka gibridnym kontaktorom [Issledovniye tokoraspredeleniya megdu glavnymi kontactami i shuntirushei cepyu s poluprovodnikovym kluchem pri otkluchenii toka gibridnym kontaktorom]. Elektrotekhnika i elektromekhanika, 2008, no. 4, pp. 48 - 52. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Received 24 сентября 2019 г. /September 24, 2019
