|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Застосування твердотільних оптоелектронних реле середньої потужності. Довідкові дані
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Довідкові матеріали Стаття знайомить із деякими особливостями оптоелектронних реле середньої потужності, що виробляються ЗАТ "Протон-Імпульс". Наведені в ній відомості будуть корисні всім читачам, які використовують або розробляють різні тиристорні та транзисторні комутатори силових ланцюгів. Уявлення про систему позначень і номенклатуру реле, що випускаються, дає таблиця.
Детальнішу інформацію про них можна знайти на веб-сайті виробника . Всі оптоелектронні реле можна розділити на дві основні групи: змінного струму з силовими елементами на симісторах та триністорах, однополярні та двополярні постійного струму з IGBT або МОП-транзисторами у силових ланцюгах. Їх важлива відмінність у цьому, що з реле змінного струму характерна часткова керованість - розрив силової ланцюга завжди відбувається лише за нульовому значенні струму. Це створює певні переваги при індуктивному навантаженні, усуваючи імпульси перенапруги, що виникають при вимиканні. Використовувати такі реле в ланцюгах постійного струму дуже важко. А ось двополярні реле постійного струму здатні комутувати і змінний струм. Одним із критеріїв вибору реле для конкретного застосування може бути потужність, що розсіюється на його силовому елементі. При роботі в ланцюгах змінного струму напругою 220...380 В і струмах більше кількох ампер тиристори за цим показником у 3...5 разів кращі за IGBT. Відношення потужності, що розсіюється на IGBT і МОП-транзисторах, приблизно дорівнює чисельному значенню струму в амперах. РЕЛЕ ЗМІННОГО СТРУМУ Серед тиристорних реле є однофазні нормально-замкнуті та нормально-розімкнені на струм 1...100А; трифазні нормально-розімкнені на струм 10... 100 А; одно-, дво- та трифазні реверсивні на струм 10...40 А з вбудованим захистом від міжфазного замикання та миттєвого реверсу; здвоєні на струм 1 А і більше із незалежним управлінням, із загальною точкою на виході та без неї. Клас реле з пробивної напруги виходу може бути від четвертого (не менше 400 В) до дванадцятого (не менше 1200 В), а допустиме пікове значення напруги ізоляції між вхідними та вихідними струмопровідними ланцюгами та тепловідведенням - 1500 або 4000 В. У реле з індексом ТМ передбачений контроль нульової фази напруги, що комутується (вони включаються тільки при близькому до нуля миттєвому значенні цієї напруги, що зменшує створювані перешкоди). Реле з індексом ТС цією властивістю не мають. Ланцюги управління реле бувають струмовими (рис. 1,а, номінальний струм - 10...25 мА) або потенційними (рис. 1,б - постійна напруга 4...7 або 3...30 В, рис. 1, в - змінне 6 або 30 ... 110 В). З струмовим управлінням випускають лише однофазні та двоканальні реле, з потенційним – усіх видів. У різних модифікаціях місце резистора R280 (див. рис. 1 і в) може займати стабілізатор струму, а "конденсатор, що гасить" С1,6 (див. рис. 1,в) - бути відсутнім. Якщо реле (наприклад, багатофазних) є кілька випромінюючих діодів, вони можуть бути з'єднані послідовно або паралельно.
Тиристорні структури дуже чутливі до перевищення допустимої напруги, що веде до незворотних пробій. Основний прийом захисту виходу реле – шунтування його варистором. Рекомендуються варистори СН2-1, СН2-2 з коефіцієнтом нелінійності більше 30 та енергією розсіювання 10...114Дж. При виборі слід виходити з того, що класифікаційна напруга варистора (при якому струм через нього досягає 1 мА) має перевищувати амплітудне значення комутованого і бути нижче пробивної напруги тиристорів. Необхідно обов'язково враховувати можливу нестабільність та технологічний розкид цих параметрів. За інших рівних умов комутації більшого струму потрібні реле вищого класу по напрузі. Це пов'язано із залежністю напруги на варисторі відтоку. Ще одна особливість тиристорних структур – чутливість до швидкості наростання напруги (dU/dt), що додається до закритого приладу. Перевищення критичної швидкості призводить до його несанкціонованого відкриття. Великі значення dU/dt можливі при подачі напруги ланцюг навантаження в момент, близький до максимуму синусоїди. Вони можуть бути викликані імпульсними перешкодами в комутованому ланцюгу або стрибками напруги при розриві ланцюга навантаження індуктивного характеру. Щоб зменшити dU/dt і запобігти небажаним наслідкам, виходи тиристорних реле шунтують демпфуючими RC-ланцюгами, номінали елементів яких підбирають експериментально. Зазвичай вони лежать у межах 20...50 Ом та 0,01...0,1 мкФ. Додатковий засіб підвищення стійкості реле до стрибків напруги - послідовно включений з навантаженням реактор затримки. Він є котушкою індуктивності, намотаною на магнітопроводі з високою магнітною проникністю і прямокутною петлею гістерезису. При робочих струмах магнітопровід насичений, індуктивність реактора мала і він не впливає на процеси, що відбуваються. Індуктивність, що росте зі зменшенням струму, уповільнює його зміну і затримує переполюсовку напруги, допомагаючи закриванню тиристора. Знижуючи швидкість наростання струму на стадії включення тиристора, реактор сприяє більш рівномірному розподілу струму по перерізу напівпровідникового кристала, що запобігає локальні перегріви. Це особливо важливо при роботі реле з індексом ТС на ємнісне або активне навантаження або в режимі фазоімпульсного регулювання потужності. До того ж, реактор, збільшуючи імпеданс ланцюга навантаження, підвищує ефективність варисторного захисту. Для тиристорів, що працюють на індуктивне навантаження, існує небезпека перевантаження по струму через асиметрію моментів включення в позитивному і негативному напівперіодах, що призводить до появи постійної складової струму, що протікає, насичення магнітопроводів навантаження, а отже, - до надструмів. Струмова перевантаження буває пов'язана і з насиченням магнітопроводів індуктивних навантажень (трансформаторів на холостому ходу, керуючих обмоток контакторів) при збігу напряму їх залишкової і створюваної струмом в момент включення намагніченості. Викликаний цим пусковий струм може вдесятеро перевищувати номінальний, причому випадок включення в момент переходу фази напруги через нуль - найгірший. Оптимально включати тиристор у максимумі напруги або "м'яко" запускати його, починаючи з малих кутів провідності. Для роботи на індуктивне навантаження рекомендується застосовувати реле з індексом ТСІ, які розраховані на підвищений ударний струм. Асиметрія моментів включення може бути наслідком відмінності напруги включення тиристорів у різній полярності. Воно відіграє істотну роль, якщо амплітуда напруги, що комутується, трохи перевищує напругу включення тиристора (5... 15 В). Асиметрія виникає і при некоректному фазоімпульсному управлінні реле, а також при відкритті тиристора не в кожному напівперіоді через те, що зворотна напруга перетинає вікно включення занадто швидко. Останній фактор - один з головних, що обмежують частоту напруги, що комутується (зазвичай - не більше 500 Гц). Робота на ємнісне навантаження характеризується можливістю великих стрибків струму в силовому ланцюгу та впливом на тиристор напруги, що досягає подвоєної амплітуди. Пусковий кидок струму виникає, якщо реле включають при ненульовій фазі напруги, що комутується. Підключення до мережі змінного струму 220 В 50 Гц розрядженого конденсатора ємністю 100 мкФ здатне викликати кидок струму амплітудою до 31000 А. Швидкість наростання струму в навантаженні індуктивністю 1 мкГн досягає 310 А/мкс при 20/160 мкс. Так як напруга включення тиристора відмінно від нуля (як зазначалося вище - 5 ... 15 В), кидки струму виникають у кожному напівперіоді напруги, що комутується. При ємності навантаження 100 мкф амплітуда таких кидків - 500...1500 А. Вони породжують значні електромагнітні перешкоди та потужні високочастотні складові у спектрі струму навантаження. Останні дуже небезпечні для деяких конденсаторів, викликаючи їх перегрів та пробої. Тому для роботи на ємнісні навантаження слід застосовувати реле з контролем переходу фази напруги через нуль і з малою напругою включення, наприклад, з індексом ТМК, у яких нормовані напруги включення (4) і виключення (10). Відомо, що після спаду струму до нуля і вимикання тиристора ємність навантаження залишається зарядженою до напруги, близької до амплітуди. У наступному напівперіоді до закритого тиристору буде додана сума цієї напруги та мережевої протилежної полярності, яка може досягти подвоєної амплітуди, наприклад, при напрузі в мережі 380±10 % - 1170 В. У цих умовах реле навіть найвищого, дванадцятого класу за напругою буде на межі своїх можливостей та його не вдасться захистити від пробою варістором. У подібних випадках доцільно використовувати реле не тільки включаються, але і вимикаються при нульовій напрузі, наприклад двополярні постійного струму. Це усуває навантаження за напругою, значно розширює робочий діапазон частот, проте дещо погіршує енергетичні показники. Для роботи на частотах до 1 кГц розроблені зразки реле серії 5П 66, ведуться роботи з розширення їх частотного діапазону до десятків кілогерців. На рис. 2 показана схема використання однофазного реверсивного реле U1 для зміни напрямку обертання однофазного електродвигуна М1 з фазозсувним конденсатором С1.
На рис. 3 представлена схема двофазного реле для керування трифазним двигуном. Комутуючі елементи реле умовно зображені у вигляді симісторів, хоча в деяких випадках це з'єднані зустрічно-паралельно триністори.
Ланцюги управління реле на схемах не показані. Вони повинні бути влаштовані таким чином, щоб унеможливити одночасну подачу сигналів на відкривання симісторів VS1 і VS2 (див. рис. 2) або VS1 і VS4, VS2 і VS3 (див. рис. 3). У будь-який момент має бути відкритий лише один із кожної пари. Проте через вимкнення симісторів тільки при нульовому струмі, після подачі сигналу реверсу, деякі з них все ж таки можуть виявитися відкритими одночасно. В однофазному пристрої це призведе до розрядки фазозсувного конденсатора С1 через симістори, трифазному - до міжфазного замикання. Для виключення подібних ситуацій у реверсивних реле передбачена апаратна затримка включення на 20...30 мс, завдяки чому при частоті мережі більше 40 Гц і "миттєвому" реверсі відкриті сімістори встигають закритися. Є й інші причини, через які тиристори іноді включаються одночасно. Наприклад, швидкість наростання напруги, що подається за допомогою електромагнітного пускача, може виявитися вищою за критичну для двох послідовно з'єднаних приладів. Демпфуючі RC-ланцюги в даному випадку майже не допомагають, оскільки зашунтовані надзвичайно низьким імпедансом мережі живлення. Великі значення dU/dt можуть бути викликані імпульсними перешкодами або кидками комутаційними напруги. Передбачені у пристрої за схемою, показаною на рис. 3, котушки індуктивності L1, L2 у взаємодії з конденсаторами С1-С4 зменшують швидкість наростання напруги, знижуючи можливість міжфазного замикання. Крім того, їхня індуктивність обмежує швидкість наростання струму, великі значення якої руйнівні для тиристорів. Однак ні демпфуючі ланцюги, ні котушки індуктивності не гарантують неможливості міжфазних замикань. Загальноприйнятий метод захисту тиристорів від їх наслідків (його рекомендують для своїх виробів, наприклад, фірми Motorola, Siemens, Opto-22) – встановлення струмообмежувальних резисторів R1 (див. рис. 2) та R1, R2 (див. рис. 3). Їхні номінали вибирають такими, щоб струм міжфазного замикання не перевищив допустимого для використовуваного реле ударного струму. Тривалість його перебігу вбирається у половини періоду мережного напруги. З наслідками встановлення обмежувальних резисторів - зменшенням напруги на обмотках електродвигуна і необхідністю відведення тепла, що виділяється, - доводиться миритися. РЕЛЕ ПОСТОЯННОГО СТРУМУ Реле постійного струму з вихідними ланцюгами на IGBT та МОП-транзисторах бувають одно- та двополярними. В останні два вихідні транзистори з'єднані зустрічно-послідовно. Для МОП-транзисторів це необхідно, щоб закритий канал одного з них перешкоджав протіканню струму через зміщений у прямому напрямку шунтуючий діод другого (такі діоди обов'язково присутні в МОП-структурі). У структури IGBT діоди доводиться вводити спеціально, але вже для пропускання струму, що протікає у зворотному для транзистора напрямку. Зазначимо, що випускаються і так звані багатоканальні реле постійного струму з різними поєднаннями нормально-замкнутих та нормально-розімкнутих вихідних ланцюгів. Застосовуючи їх, слід враховувати, що нормально-замкнуті вихідні ланцюги стають тільки після подачі на реле напруги живлення від джерела, гальванічно пов'язаного з входами управління. Залишкова напруга на виході однополярних реле на МОП-транзисторах у відкритому стані залежить від опору каналу останніх при температурі 25 °С, що знаходиться в межах від одиниць міліом у низьковольтних до одиниць високовольтних транзисторів. З підвищенням температури кристала до граничної (150 ° С) цей опір зростає приблизно вдвічі. У двополярних реле на МОП-транзисторах залишкова напруга більша. Воно складається з падінь напруги на опорі каналу одного транзистора і прямосмещенном діоді, зашунтированном опором каналу другого транзистора. Вольт-амперна характеристика вихідного ланцюга таких реле у включеному стані при малому струмі практично лінійна, потім поступово переходить у характеристику діода. Крапка перегину лежить в області 100...200 А у низьковольтних реле та одиниць ампер - у високовольтних. Елементами управління вихідними транзисторами в реле серій 5П 20 (однополярних) та 5П 19 (двополярних) служать фотовольтаїчні оптрони з вихідним струмом порядку одиниць мікроампер. Тому зарядка ємності затвор-витік МОП-транзисторів відбувається досить повільно, що призводить до затримки включення реле на десятки мілісекунд. Затримка вимкнення значно менша (не більше 1 мс), оскільки передбачені спеціальні тиристорні вузли розрядки згаданої ємності. Для швидкодіючих реле характерні затримки вмикання/вимкнення в одиниці мікросекунд, але їм необхідне додаткове джерело живлення ланцюгів керування. У реле різних типів це джерело має бути гальванічно пов'язане у виходом або входом реле. Реле з живленням по входу серій 5П 57 (двополярні) і 5П 59 (однополярні) при затримках включення/вимкнення в одиниці мікросекунд здатні перемикатися з частотою не вище 10...20 Гц, так як фотовольтаїчні оптрони, що використовуються в них, не можуть досить швидко заповнити розсіяну при вимкненні енергію. Однополярні реле з живленням виходу серії 5П 40 можуть працювати на частоті комутації в десятки кГц. Для їх живлення потрібне ізольоване від вхідних ланцюгів джерело напруги 10...15 Ст.
Поширений спосіб захисту від високої напруги, що виникає при відключенні індуктивного навантаження, - шунтування її діодом у зворотній полярності. Струм I, що протікав через навантаження до розриву ланцюга, в цьому випадку спадає по експоненті з постійного часу L/r, де L і г відповідно індуктивність і опір навантаження. Частина енергії
запасеної в індуктивності навантаження, розсіюється з її активному опорі, інша - на шунтующем діоді. Можна показати, що з малих значеннях r основна частка розсіюється енергії посідає діод. Це викликає перевантаження останнього по імпульсній, а при високих частотах комутації - і по середній потужності, що розсіюється. Якщо гранично-допустима напруга транзистора Uдоп значно вища за комутований Uком, режим роботи захисного діода істотно полегшить включення послідовно з ним резистора номіналом.
В цьому випадку в момент вимкнення напруга на виході реле одно іншому + RI на діоді виділяється енергія
(де Uд - 0,7 В - пряме падіння напруги на діоді), а на резисторі -
Отже, при частоті комутації fком потужність резистора повинна бути не меншою
Введення резистора дає ще один позитивний ефект - зменшує час вимкнення навантаження, так як постійна часу спаду струму в цьому випадку дорівнює L/(R+r). Для реле серій 5П 19, 5П 20, як зазначалося, характерна затримка включення в десятки мілісекунд, що обмежує максимальну частоту
де lK0M - комутований струм. Так як тривалість спаду струму при виключенні на порядок менше tнар, енергією, що розсіюється при цьому, можна знехтувати. Потенційно небезпечні для силових транзисторів реле два режими роботи: комутація стаціонарного навантаження із частотою, близькою до граничної, та включення навантаження з великим пусковим струмом (наприклад, пусковий струм лампи розжарювання більш ніж у 10 разів перевищує номінальний).
де ROTKр - опір вихідного ланцюга у відкритому стані; Q – шпаруватість (ставлення періоду комутації до тривалості включеного стану). Наприклад, на однополярному реле 5П 20.10 П-5-0,6 (гранична напруга - 60 В, струм - 5 A, R - 0,055 Ом, тепловий опір кристал-навколишнє середовище - 40 °С/Вт) при струмі навантаження 5 А в постійно включеному стані виділиться потужність трохи більше 1,375 Вт, що викличе прийнятний здебільшого перегрів кристала щодо середовища на 55 °З. Однак комутація того ж навантаження з частотою 10 Гц при шпаруватості 2, напрузі 50 В і tнар = 5 мс призведе до зростання потужності, що виділяється до 2,77 Вт і перегріву кристала вже на 110 °С. Це не дозволить реле надійно працювати за температури навколишнього середовища вище 40 °С. У другому випадку початкове значення струму навантаження значно більше від номінального, тому енергія включення WBKJ1 може перевищити допустиму для транзисторів реле. Так як зі зменшенням tнар енергія включення зменшується пропорційно, інерційні навантаження доцільно комутувати за допомогою швидкодіючих реле, наприклад серій 5П 57, 5П 59. Як зазначалося вище, реле серії 5П 62 до роботи на частоті комутації понад 10...30 Гц вимагають підключення додаткових зовнішніх елементів. Як і реле серій 5П 57 і 5П 59, їх внутрішнє джерело напруги живлення ланцюга управління вихідним транзистором - низької середньої потужності і не може швидко заповнити енергію, витрачену при розрядці ємності затвора транзистора. Для усунення цього недоліку і призначений зовнішній конденсатор, через який при виключенні вихідного транзистора в ланцюг управління від джерела напруги, що комутується, "накачується" додаткова енергія. Оптимальна ємність конденсатора залежить від умов роботи реле, зокрема, від напруги, що комутується. Тому всередину реле він введений не може. При кожному включенні вхідного транзистора конденсатор розряджається через ланцюг керування затвором із розсіюванням енергії C·U2/2. Якщо частота комутації досить велика, додаткова потужність, що виділяється реле, досягає неприйнятної величини. Для її зменшення служать резистор, на якому розсіюється значна частина запасеної конденсатором енергії та стабілітрон. Напругу стабілізації останнього вибирають таким, щоб при мінімальному значенні напруги, що комутується, конденсатор зарядився лише до 15 В. ТЕПЛОВИЙ РЕЖИМ РЕЛЕ Для реле, що експлуатуються без тепловідведення, максимальний струм, що комутується, нормують виходячи з граничної температури кристалів силових елементів Ткр. макс (125 °С – для тиристорів, 150 °С – для транзисторів) при температурі навколишнього середовища Токр = 25 °С. Той самий параметр реле з тепловідведенням встановлюють за граничною температурою кристала при температурі тепловідведення Ттo = 75 °С для тиристорних реле і Ттo = 90 °С - для транзисторних. Останні два значення обрані з досить довільної умови рівності теплового опору зовнішнього тепловідведення RT0 "еквівалентному" тепловому опору кристал- тепловідведення R3kb- Слід мати на увазі, що в довідкових даних багатофазних реле тепловий опір зазвичай вказано з розрахунку "на фазу", тому "еквівалентне" опір, наприклад, трифазного реле втричі менше. Основне співвідношення для теплових розрахунків: Токр + P(RTO + Іекв) < Ткрлоп, де Р - потужність, що розсіюється реле. Приклад обчислення цієї потужності для реле постійного струму з МОП-транзистором на виході наведено в попередньому розділі. Для IGBT її розраховують за формулою Р = UOCT-lKOM, де UOCT – залишкова напруга на відкритому транзисторі. Потужність, що розсіюється в одній фазі тиристорного реле, обчислюють за емпіричною формулою Р = (0,145 + 0,7UOCT пік) IефФ, де U0CT пік - пікове значення залишкової напруги на включеному тиристорі; Iеф - ефективне значення струму, що протікає через нього. Автор: С.Архіпов, м.Орел
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ PHILIPS оновив лінійку РК-телевізорів ▪ Лазер перетворює діелектрик на провідник
▪ розділ сайту Параметри радіодеталей. Добірка статей ▪ стаття Основна теорема алгебри. Історія та суть наукового відкриття ▪ статья Які тварини були мешканцями авгієвих конюшень? Детальна відповідь ▪ стаття Аеросани. Особистий транспорт ▪ стаття Сонячний годинник. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page