Принцип действия гибридных аппаратов рассмотрим на простых устройствах (рис. 80), в которых используются диоды и тиристоры. Во всех приведенных силовых блоках СПП соединяются параллельно с одним из размыкаемых контактов. Так как в электромеханических аппаратах падение напряжения на замкнутых контактах при номинальных токах не превышает десятых долей вольта, СПП, соединенные параллельно с контактами, не переходят в состояние высокой проводимости и ток нагрузки через них практически не протекает.

Рис. 80. Силовые блоки комбинированных аппаратов

В процессе отключения аппарата соотношение сопротивлений контактной и полупроводниковой цепей изменяется, что приводит к перераспределению тока между ними. Сущность этого явления рассмотрим на примере отключения аппарата, выполненного по схеме рис. 80, а. Размыкание дугогасительных контактов S ₁ в схеме необходимо обеспечить в начале полупериода тока, полярность которого совпадает с проводящим направлением диода VD (в интервале времени t ₂ < t < t ₃, рис. 81).

В этом случае напряжение на образующейся электрической дуге является прямым для диода. По мере увеличения расстояния между контактами и интенсивности воздействия на электрическую дугу, например за счет перемещения ее в воздухе с большой скоростью под воздействием электромагнитного поля, сопротивление межконтактного промежутка растет и, следовательно, повышается напряжение на диоде.

В результате создаются условия для переключения его в проводящее состояние. Практически переход диода в проводящее состояние в аппаратах низкого напряжения происходит уже на стадии образования электрической дуги, так как приэлектродное падение напряжения на ней намного превышает пороговое напряжение СПП. С этого момента времени ток в контактной цепи S_i начинает быстро уменьшаться, а ток в полупроводниковой цепи i_VD нарастает. Длительность переходного процесса, в течение которого коммутируемый ток полностью переходит в цепь диода и электрическая дуга гаснет, определяется в основном индуктивностью контуров, динамическими характеристиками используемого диода, способом воздействия на электрическую дугу.

Рис. 81. Диаграммы коммутационных процессов в гибридном аппарате

В оставшееся до конца полупериода время t = t ₄ ‒ t ₃ завершаются деионизационные процессы в межконтактном промежутке, восстанавливается его электрическая прочность.

Окончательное прерывание тока в цепи осуществляется диодом непосредственно за моментом времени t ₄, соответствующим изменению направления тока. В течение времени, пока напряжение является обратным для диода, необходимо разомкнуть вспомогательные контакты S₂.

Необходимо отметить, что для рассматриваемого случая отключения цепи с активно-индуктивной нагрузкой это время меньше полупериода. В пределе оно может быть равным 5 мс, что приводит к необходимости использования быстродействующих приводов.

При включении аппарата последовательность замыкания контактов должна быть обратной: в непроводящий для диода полупериод напряжения необходимо замкнуть контакты отделителя S ₂, а в течение следующего полупериода – дугогасительные контакты S ₁.

Характерным для режима включения является замыкание контактов S ₁ при малых напряжениях, определяемых падением напряжения на проводящем диоде. Вследствие этого исключаются предварительный пробой промежутка при сближении контактов и связанные с ним явления эрозии и 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 на рис. 80, б, по принципу действия, 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 время отключения аппарата.

К недостаткам этого варианта относятся увеличение вдвое числа СПП и 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 и быстродействующих привода. Высокие требования предъявляются также к стабильности срабатывания приводов (они должны обладать малым разбросом времени). Очевидно, что 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 проявления 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 контактов происходит в относительно узком интервале времени перед прохождением тока через нуль.

В этом случае процесс перехода тока из контактной цепи в диодную не завершается или не успевает восстановиться электрическая прочность межконтактного промежутка, он вновь пробивается в начале следующего полупериода.

При большом числе отключений размыкание контактов S ₁ и S ₂ происходит с равной вероятностью как в интервале положительного, так и в интервале отрицательного полупериодов; тот же закон определяет 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, в которых 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 (рис. 80, в).

Полупроводниковая цепь в этом аппарате, выполненная по схеме со встречно-параллельным соединением тиристоров, подключена параллельно только одним дугогасительным контактам. Но способность тиристоров находиться в закрытом состоянии при напряжении положительной полярности позволяет производить коммутационные операции в любой полупериод напряжения (тока).

Рассмотрим взаимодействие контактного узла и тиристорного блока в режиме включения аппарата. Учитывая большое различие в быстродействии контактной цепи и СПП, команды на их включение надо выдавать не одновременно. Сначала должна поступить команда на включение привода контактов. По истечении определенного времени, равного собственному времени включения контактного аппарата, его контакты S ₁ замыкаются. На рис. 82 момент соприкосновения контактов соответствует времени t ₂.

С необходимым упреждением этого момента времени системой управления выдается управляющий импульс IG1 на тиристор VS1, для которого напряжение в рассматриваемом полупериоде является прямым. В результате включения тиристора напряжение на сходящихся контактах снижается до значения падения напряжения на тиристоре в проводящем состоянии, т.е. до 1,5–2,5 В.

После соприкосновения контактов тиристорная цепь быстро обесточивается, так как сопротивление контактной цепи намного меньше дифференциального сопротивления тиристора.

При отключении аппарата последовательность работы контактной и тиристорной цепи та же, что и в контактно-диодных аппаратах. Отличие состоит только в том, что в момент времени размыкания контактов (S_i на рис. 82) на тиристор VS2 должен поступить управляющий импульс тока IG2. Практически реализовать жесткую синхронизацию работы системы управления тиристорным блоком с приводным механизмом контактов очень сложно. Поэтому в большинстве коммутационных устройств такого типа управляющие импульсы на входы тиристоров подаются с упреждением размыкания контактов, учитывающим нестабильность работы во времени механической части аппарата.

Рис. 82. Переходные процессы в гибридном аппарате

Как и при использовании диодов, в контактно-тиристорных аппаратах размыкание контактов и восстановление электрической прочности межконтактного промежутка должны завершаться до окончания полупериода. Если конструкция аппарата не обеспечивает синхронизированное отключение, контакты могут разомкнуться в любой момент времени, в том числе и в критической зоне полупериода перед прохождением тока через нуль, в котором ток не успевает перейти из контактной цепи в полупроводниковую. В этом случае необходимо, чтобы в начале следующего полупериода системой управления обеспечивалось включение тиристора с другим направлением проводимости.

Обобщая рассмотренные возможности создания комбинированных аппаратов, можно выделить наиболее важные их характеристики:

1. Во всех вариантах исполнения комбинированных аппаратов СПП (диоды или тиристоры) при длительном номинальном режиме не проводят ток, поэтому исключаются относительно большие потери мощности, характерные для полупроводниковых аппаратов. Следовательно, по этому показателю комбинированные аппараты не отличаются от обычных контактных.

2. В режимах изменения аппаратом коммутационных положений с помощью СПП осуществляется шунтирование межконтактных промежутков малым сопротивлением, свойственным для диодов и тиристоров в проводящем состоянии. Этим обеспечивается быстрое гашение электрической дуги, возникающей в процессе включения из-за дребезга контактов и при отключении аппарата. Опыт эксплуатации комбинированных аппаратов показывает, что при коммутации токов до 500 А длительность горения дуги не превышает 100 мкс. В результате комбинированные аппараты обладают коммутационной износостойкостью, в 20–50 раз большей, чем контактные.

3. Так как СПП в комбинированных аппаратах подвергаются кратковременному воздействию тока, имеется 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 значение среднего (классификационного) тока в 8–10 раз. Например, диоды типа Д253-1600 способны выдерживать ток без ухудшения характеристик 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 работы СПП должно ограничиваться единицами, амплитуда тока увеличивается соответственно до 28 кА при длительности импульса 10 мс и до 44 кА – при 2 мс.

Во многих случаях указанная перегрузочная способность достаточна для создания комбинированных аппаратов без параллельного соединения приборов в силовых блоках. При обеспечении размыкания контактов непосредственно перед критической зоной полупериода тока достигается наилучшее использование импульсной нагрузочной способности СПП.

4. Важным обстоятельством является и то, что при кратковременных токовых воздействиях выделяющаяся теплота в структуре СПП не распространяется за пределы элементов конструкции, непосредственно к ней прилегающих. Поэтому отпадает необходимость не только в применении принудительного охлаждения, но и в самих охладителях.

В результате существенно упрощается конструкция полупроводникового блока, уменьшаются его масса и габариты.

Отмеченные положительные особенности комбинированных аппаратов определили интенсивное их развитие.

К настоящему времени разработаны и выпускаются промышленностью несколько вариантов таких аппаратов, отличающихся как по конструктивному исполнению контактных и полупроводниковых частей, так и по способу управления тиристорами.

Схема одного из вариантов гибридного контактора с системой управления, питающейся от трансформатора тока, приведена на рис. 83.

Рис. 83. Схема гибридного контактора

Полупроводниковый блок в ней подсоединен параллельно цепи, состоящей из контактов S и последовательно включенной с ними первичной обмотки трансформатора тока ТА. Две вторичные обмотки трансформатора через диоды, согласующие полярность управляющего и анодного напряжения, замкнуты на управляющие цепи тиристоров.

При включенных контактах S через них и первичную обмотку трансформатора тока протекает синусоидальный ток.

Во вторичных обмотках трансформатора ток в общем случае будет несинусоидальным из-за нелинейности сопротивления управляющей цепи тиристоров и влияния стабилитронов, которые защищают эти обмотки от превышения допустимого напряжения. При номинальном токе в цепи контакторов тиристоры не должны включаться. Это обеспечивается выбором параметров таким образом, чтобы суммарное падение напряжения на первичной обмотке трансформатора и замкнутых контактах не превышало пороговое напряжение используемых силовых тиристоров.

При протекании сквозных токов короткого замыкания напряжение между точками присоединения тиристорного блока к главной цепи значительно увеличивается и создаются условия для включения тиристоров. Поэтому тиристоры необходимо выбирать с учетом этого режима работы.

При размыкании контактов между ними возникает электрическая дуга с напряжением U_д > 10 В, что обеспечивает быстрый переход коммутируемого тока в цепь тиристора и последующее прерывание его в конце полупериода.

Из-за существующего небольшого угла сдвига фаз между током в контактной цепи и в цепи тиристоров может наблюдаться задержка включения тиристоров, если контакты расходятся в самом начале или в конце полупериода тока. Этот же эффект проявляется и из-за относительно медленного нарастания управляющего тока в начале полупериода, что было рассмотрено выше.

К преимуществам рассмотренной схемы следует отнести повышенную надежность, которая обусловлена минимальным числом элементов; простоту, защищенность от воздействия внешних магнитных полей, автономность питания управляющих цепей, исключение повреждения тиристоров при резком увеличении сопротивления контактов, так как при этом блокируется поступление управляющих сигналов на тиристоры. Все эти факторы определили широкое применение схемы. В частности, она используется в серийно выпускаемых контакторах КТП64, КТП65 и др.