Исследование электронных коммутационных аппаратов и регуляторов

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

ИсследованИе 
электронных коммутацИонных 
аппаратов И регуляторов

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 621.316.7(075.8)
ББК 31.264я73
          И88
Авторы:
В. И. Лузгин, С. Ю. Кропотухин, А. С. Коптяков, Д. А. Глушков

Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. кафедры «Электрооборудование и электроснабжение» 
Г. К. Смолин (ФГФОУ ВО «Российский государственный 
профессионально-педагогический университет);
председатель Совета директоров ГК «РЭЛТЕК», канд. техн. наук 
А. Ю. Петров

Научный редактор — д-р техн. наук, доц. И. В. Черных

И88
    Исследование электронных коммутационных аппаратов и регуляторов : 
учебно-методическое пособие / В. И. Лузгин, С. Ю. Кро-
потухин, А. С. Коптяков, Д. А. Глушков. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2017. — 96 с.

ISBN 978-5-7996-2089-9

В учебно-методическом пособии рассматриваются принципы построения 
электронных коммутационных аппаратов и регуляторов постоянного 
и переменного тока большой мощности, приведены методы расчета электромагнитных 
процессов и выбора оборудования. В работе описаны экспериментальные 
стенды для выполнения научно-исследовательских работ 
с электронными аппаратами различного типа и даны методики обработки 
опытных данных и определения их характеристик.
Издание предназначено для студентов вуза, обучающихся по направлению 
подготовки 13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника, и специалистов 
технических специальностей, может быть полезно для инженерно-
технических работников предприятий и научно-исследовательских 
предприятий.

УДК 621.316.7(075.8)
ББК 31.264я73

ISBN 978-5-7996-2089-9 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2017

содержание

Введение ...........................................................................................................5

1. Исследование характеристик транзисторных реле .....................................8

1.1. Основные принципы построения транзисторных реле .......................9
1.2. Разновидности реле с положительной обратной связью ................... 12

1.2.1. Реле с коллекторной обратной связью ...................................... 12
1.2.2. Реле с эмиттерной обратной связью .......................................... 14
1.2.3. Реле с комбинированной обратной связью ............................... 14

1.3. Определение напряжений срабатывания и отпускания .................... 15

1.3.1. Реле с коллекторной ОС ............................................................ 16
1.3.2. Реле с эмиттерной ОС ................................................................ 16

1.4. Расширение функций транзисторных реле ........................................ 17
1.5. Экспериментальные исследования транзисторных реле ................... 18

1.5.1. Описание экспериментальной установки ................................. 18
1.5.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований ....... 20

1.6. Контрольные вопросы ........................................................................ 21

2. Исследование характеристик тиристорных коммутационных 
     аппаратов и регуляторов переменного тока .............................................. 22

2.1. Однофазные регуляторы переменного тока ....................................... 22

2.1.1. Силовые схемы ........................................................................... 22
2.1.2. Анализ процессов в схеме однофазного регулятора 
           при активной нагрузке ............................................................... 24
2.1.3. Анализ процессов в схеме однофазного регулятора 
           при активно-индуктивной нагрузке .......................................... 28
2.1.4. Анализ процессов в схеме однофазного регулятора 
           при индуктивной нагрузке ......................................................... 31

2.2. Трехфазные регуляторы переменного тока ........................................ 32

2.2.1. Силовые схемы трехфазных регуляторов .................................. 32
2.2.2. Анализ процессов трехфазного регулятора без нулевого 
           провода при активной нагрузке ................................................. 33

2.3. Схемы управления и автоматики ........................................................ 34
2.4. Экспериментальные исследования тиристорных 
        переключателей переменного тока ..................................................... 36

2.4.1. Описание экспериментальной установки ................................. 37
2.4.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований ....... 40

2.5. Контрольные вопросы ........................................................................ 43

3. Исследование характеристик тиристорных коммутационных 
     аппаратов постоянного тока с коммутирующим конденсатором ............ 44

3.1. Свойства тиристоров и способы их выключения ............................... 45
3.2. Экспериментальные исследования тиристорных реле 
        постоянного тока ................................................................................. 52

3.2.1. Описание экспериментальной установки ................................. 52
3.2.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований ....... 61

3.3. Контрольные вопросы ........................................................................ 61

4. Исследование характеристик тиристорно-конденсаторного 
     регулятора постоянного тока с дозированной передачей энергии .......... 63

4.1. Принципы построения схем тиристорно-конденсаторных 
        регуляторов постоянного тока ............................................................ 64
4.2. Анализ электромагнитных процессов при работе тиристорного 
        регулятора на активную нагрузку ....................................................... 67
4.3. Расчет характеристик тиристорных регуляторов постоянного 
        тока без обратных диодов.................................................................... 72

4.3.1. Нагрузочные характеристики регулятора.................................. 73
4.3.2. Внешние характеристики тиристорно-конденсаторного 
           регулятора без обратных диодов ................................................ 79
4.3.3. Регулировочные характеристики ............................................... 81

4.4. Расчет характеристик тиристорных регуляторов постоянного 
        тока с обратными диодами.................................................................. 82
4.5. Экспериментальные исследования тиристорно-
        конденсаторного регулятора постоянного тока ................................. 87

4.5.1. Описание экспериментальной установки ................................. 87
4.5.2. Порядок выполнения экспериментальных исследований ....... 90

4.6. Контрольные вопросы ........................................................................ 92

Библиографический список .......................................................................... 93

введение

С

иловая электроника — это область электротехники, 
связанная с коммутацией и преобразованием электри-
ческой энергии. Современный этап развития силовой 
электроники, характеризующийся качественным скачком в раз-
витии и массовом внедрении силовых электронных устройств, 
начался с промышленного освоения и серийного производства 
полностью управляемых быстродействующих силовых элек-
тронных ключей, мощность сигналов включения и выключе-
ния которых близка к нулю.
Создание современного поколения силовых полупроводни-
ковых электронных приборов осуществлялось в двух основ-
ных направлениях: развитие полевых приборов и биполярных 
транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов 
и IGBT-транзисторов) и улучшение характеристик запираемых 
тиристоров (GTO, IGCT). Главным фактором, определяющим 
значимость и перспективность этих приборов, является их спо-
собность управлять большими потоками мощности по любому 
закону модуляции энергетических импульсов при минималь-
ных мощностях, затрачиваемых на управление.
В настоящее время средствами силовой электроники нового 
поколения могут быть решены следующие задачи:
· обеспечение работы преобразователей переменного/по-
стоянного тока в четырех квадрантах комплексной пло-
скости параметров переменного тока без применения 
средств искусственной коммутации ключей;

· получение токов и напряжений требуемой формы с ре-
гулированием их амплитуды, фазы и частоты в широких 
диапазонах;
· фильтрация высших гармоник тока (напряжения) неси-
нусоидальной формы;
· регулирование амплитудно-частотных характеристик 
фильтрокомпенсирующих устройств;
· устранение кратковременных отклонений тока (напря-
жения) от допустимых значений;
· быстродействующая защита электронных устройств в ава-
рийных режимах;
· обеспечение возможности более полного использования 
достижений современных информационных технологий, 
а также быстродействующих контроллеров в целях расширения 
возможностей управления регулируемым объектом.
Самой распространенной областью потребления электрической 
энергии является электропривод. Импульсная модуляция 
и цифровые средства управления позволяют перевести управление 
асинхронным двигателем на принципиально новый уровень, 
при котором возможно регулирование как скорости, так 
и момента асинхронного двигателя, приближая его по свойствам 
управляемости к двигателю постоянного тока. Значительный 
экономический и экологический эффект с применением 
управляемого электропривода достигается в электротранспорте, 
металлургическом прокатном производстве, при управлении 
газо- и гидроперекачивающими станциями.
Современные устройства силовой электроники обеспечивают 
повышение эффективности электроэнергетических систем 
и позволяют реализовать новые технологии управления потоками 
электроэнергии. К ним относятся устройства компенсации 
реактивной мощности в линиях электропередачи переменно-
го тока, а также фильтрации высших гармоник тока и напря-
жения в системах электроснабжения, устройства симметриро-
вания распределения нагрузки по фазам в трехфазных сетях 
и бесперебойного питания в системах электроснабжения (и др.).

Перспективным направлением развития коммутацион-
ной аппаратуры является создание электрических аппаратов 
с управляемой коммутацией, которая обеспечивается примене-
нием силовых полупроводниковых приборов для осуществле-
ния бездуговой коммутации электрической цепи, предотвра-
щения опасных бросков тока и перенапряжений, увеличения 
ресурса оборудования и его надежности [2]. Для ограничения 
токов короткого замыкания в энергосистемах в последнее вре-
мя разрабатываются сверхбыстродействующие выключатели 
с использованием тиристорной коммутации, в которых вре-
мя коммутации многократно снижается по сравнению с обыч-
ным выключателем. Ограничители токов короткого замыкания 
с использованием силовой электроники являются новым ти-
пом устройств технологии гибкого управления линиями элек-
тропередачи переменного тока.
В настоящем пособии представлены материалы для выпол-
нения научно-исследовательских работ с полупроводниковы-
ми коммутационными аппаратами и регуляторами параметров 
электрической энергии на их основе. Изложены основные поло-
жения, которыми следует руководствоваться при выборе сило-
вой схемы электронного аппарата постоянного и переменного 
тока. Приведены методики расчета характеристик электронных 
аппаратов постоянного и переменного тока, а также выбора си-
ловых полупроводниковых вентилей и элементов силового обо-
рудования. При выполнении научно-исследовательских работ 
следует руководствоваться установленным порядком экспери-
ментального снятия характеристик и обработки данных при ис-
следовании электронных аппаратов различного типа.

1. Исследование характеристик 
транзисторных реле

Т

ранзисторные реле являются чувствительными эле-
ментами, срабатывающими по величине контролиру-
емых параметров в системах автоматического управ-
ления, а также реагирующими органами устройств и систем 
защиты и предназначены для выявления аварийных режимов 
электроустановок путем контроля основных параметров элек-
трической энергии: ток, напряжение, мощность, частота пе-
ременного тока, направление мощности и постоянного тока, 
гармонический состав. Контроль указанных параметров обеспе-
чивает надежную защиту распределительной сети и основной 
массы потребителей. Эффективность действия защиты харак-
теризуется такими параметрами, как чувствительность и на-
дежность. Применение транзисторных реле в качестве реле за-
щиты по сравнению с электромеханическими реле позволяет 
существенно улучшить их характеристики и уменьшить массо-
габаритные показатели, повысить быстродействие, обеспечить 
возможность регулирования коэффициента возврата и незави-
симость параметров срабатывания от вида аварийного режима, 
минимизировать потребляемую мощность, повысить техноло-
гичность в их производстве.

1.1. основные принципы построения  
транзисторных реле

При решении задач автоматического контроля, управления 
и регулирования в ряде случаев требуется, чтобы плавное из-
менение одной, управляющей, величины Х вызывало скачкоо-
бразное изменение другой, управляемой, величины Y (рис. 1, а), 
Устройства, реализующие такой закон функциональной связи 
между двумя величинами (обычно электрическими), называют 
реле.

                          а                                               б                                        в
Рис. 1. Релейная характеристика (а) и схемы контактного (б)  
и бесконтактного (в) реле

По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся 
на контактные и бесконтактные. Контактные реле замыкают 
или размыкают цепь при помощи контактов SA (см. рис. 1, б), 
в бесконтактных реле требуемый эффект достигается за счет 
резкого изменения сопротивления нелинейного элемента 
НЭ, включаемого последовательно с управляемым объектом 
(см. рис. 1, в). В настоящее время в различных устройствах автоматики 
все большее применение находят бесконтактные реле, 
выполняемые на основе управляемых нелинейных элементов, 
которые обладают такими преимуществами, как отсутствие движущихся 
частей, отсутствие искро- и дугообразования при срабатывании, 
большой срок службы и т. д.

В данной работе исследуются транзисторные реле, которые 
дополнительно к указанным преимуществам бесконтактных 
реле имеют высокое быстродействие, малые габариты, повы-
шенную вибростойкость [3].
Основой для построения транзисторных реле является двух-
каскадный усилитель (рис. 2), выполненный на транзисторах 
VТ1 и VТ2. 

Рис. 2. Принципиальная схема транзисторного реле

Источник управляющего напряжения еу c внутренним сопротивлением 
Rу включен между эмиттером и базой входного 
транзистора. Выходное напряжение первого каскада (напряжение 
Uкэ1 транзистора VТ1) через сопротивление межкаскадной 
связи R3 (или через диод VD) подается на вход второго каскада, 
то есть в цепь базы транзистора VТ2. Нагрузка Rн усилителя 
обычно включается последовательно с выходным транзистором 
VТ2 (в принципе возможно подключение нагрузки параллельно 
выходному транзистору VТ2). Оба каскада усилителя 
подключены к общему источнику питания Ек. Для обеспечения 
надежного запирания выходного транзистора VТ2 (что бу-

дет соответствовать минимальному току нагрузки) применяется 
источник запирающего напряжения Eсм, включаемый между 
эмиттером и базой транзистора VТ2.

Допустим, что в исходном состоянии напряжение еу имеет 
полярность, противоположную указанной на рис. 2, и величину 
еу1, достаточную для того, чтобы транзистор VТ1 при задан-
ном значении резистора R1 находился в состоянии насыщения. 
В этом случае напряжение Есм обеспечивает надежное запира-
ние транзистора VТ2, то есть он находится в состоянии отсеч-
ки, а ток нагрузки имеет минимальное значение (рис. 3, а).

                  а                                   б                               в                                  г
Рис. 3. Характеристики транзисторного реле: 

а — без обратной связи; б — с обратной коллекторной связью; в — с обратной 
эмиттерной связью; г — с обратной комбинированной связью

Если теперь увеличивать относительную величину сигна-
ла управления, то есть перемещать рабочую точку по оси аб-
сцисс вправо, при некотором значении еу транзистор VТ1 вый-
дет из состояния насыщения и его коллекторный ток начнет 
уменьшаться. Одновременно начинает возрастать падение на-
пряжения Uкэ1 на этом транзисторе, которое через сопротивле-
ние межкаскадной связи R3 обеспечивает появление положи-
тельного базового тока iб2, приводящего при значении еу = еу2 
к выходу транзистора VТ2 из состояния отсечки. Дальнейшее 
увеличение сигнала управления еу приводит к полному отпи-
ранию транзистора VТ2, то есть переходу его в состояние насы-
щения при еу = еу3, и увеличивает ток нагрузки до максимально