eng
Выпуск #5/2000
Волошин С., Архипов С.
Современные оптоэлектронные приборы. Окончание
Современные оптоэлектронные приборы. Окончание
Просмотры: 2584
Исследование процессов в трехфазной системе показали, что при любом варианте включения тиристоров перенапряжение возникает на тиристоре, закрытом в последней стадии включения. Этот тиристор должен быть шунтирован защитным варистором. При превышении классификационного напряжения на варисторе ток разряда конденсатора начинает нарастать и, соответственно, напряжение на конденсаторе снижается. Амплитуды тока и напряжения на варисторе зависят от скорости нарастания тока и емкости конденсатора: при увеличении скорости этих параметров амплитуды тока и напряжения возрастают. При этом амплитуда напряжения может превышать предельно допустимую для тиристора.
Энергия, рассеиваемая варистором в одном цикле, равна:
...
где Uкл – классификационное напряжение варистора. Если
С = 10-4 Ф, Uкл = 680 В и U0 = 380Ц2B, то Wимп = 34 Дж. При повторении один раз в минуту порядок этой величины тот же, что и у предельно допустимой величины для варисторов типа СН2-1 и СН2-2. Таким образом, при достаточно высокой частоте коммутации на больших емкостях возможен перегрев и выход варисторов, а затем и тиристоров из строя. Экспериментальная проверка этой модели с конденсаторами емкостью 50 мкФ и варисторами СН2-2-620 В показала, что:
· напряжения на конденсаторах равны 190 В, 530 В и 720 В;
· длительность нарастания импульса тока в варисторе равна примерно 1 мс;
· длительность импульса тока на уровне 0,5 составляет около 4 мс;
· амплитуда импульса тока » 10 А.
Следовательно, в условиях частых коммутаций при малом интервале между выключением–включением в схеме, приведенной на рис. 3**, необходимо использовать тиристорные реле с вдвое большим предельно допустимым напряжением или ограничители напряжения с запасом по рассеиваемой мощности. Правда, возникновения перенапряжений на тиристорах можно избежать с помощью частичного разряда конденсаторной нагрузки после выключения реле в заданной фазе и последующего его включения в той же фазе напряжений (см. рис.). При такой защите компаратор нуля выдает импульс записи в момент перехода напряжения UАВ через нуль в определенном направлении. Если сигнал на входе управления равен нулю, триггер сбрасывается в нуль, выключая через узел управления силовое реле. Поскольку в этот момент ток в фазе С равен нулю, эта фаза реле выключается, емкости перезаряжаются, а затем отключаются фазы А и В. По окончании этого процесса на выходе узла управления формируется импульс, открывающий симистор VS, и конденсатор С1 через разрядный резистор полностью разряжается, а емкости С2 и С3 разряжаются частично. При появлении на входе управления сигнала включения напряжение включения на реле поступает в той же фазе, что и сигнал выключения, при этом, как нетрудно видеть, перенапряжения отсутствуют. Такое устройство синхронного управления (УСУ) выпускает ЗАО “Протон-Импульс”.
Ударные и пусковые токи. При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды. Помимо рассмотренных выше емкостных и индуктивных (с насыщающимися сердечниками) нагрузок можно отметить и другие их типы:
· чисто активные нагрузки (например, нагреватели) с минимально возможными скачками тока, которые практически устраняются при использовании реле с контролем пересечения нуля;
· лампы накаливания. Галогенные лампы при включении пропускают ток, в 7–12 раз превышающий номинальный. За ~ 0,1 с этот ток экспоненциально падает. В флуоресцентных лампах в течение первых секунд (~10 с) возникают кратковременные скачки тока, в 5–10 раз превышающие номинальный ток. Ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин работы;
· обмотки электромагнитных реле переменного тока и соленоидов. Ток обмотки реле в течение одного-двух периодов в 3–10 раз больше номинального, вторых – в 10–20 раз больше номинального в течение 0,05–0,1 с;
· электродвигатели. Их ток в течение 0,2–0,5 с в 5–10 раз больше номинального;
· высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (например, трансформаторы на холостом ходу). При включении в фазе нуля напряжения их ток в течение 0,05–0,2 с в 20–40 раз больше номинального;
· емкостные нагрузки. Ток таких нагрузок при включении в фазе, близкой к 90°, в 20–40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.
Способность реле выдерживать токовые перегрузки характеризуется величиной “ударного тока”, т.е. амплитудой одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). У реле постоянного тока эта величина обычно в два-три раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, у тиристорных реле – примерно в 10 раз. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно воспользоваться следующей эмпирической зависимостью: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока в два раза.
Выбор номинального тока реле для конкретной нагрузки должен быть основан на компромиссе между запасом по номинальному току реле и дополнительными мерами по уменьшению пусковых токов (применение токоограничивающих резисторов, реакторов и т.п.).
Тепловые режимы оптоэлектронных реле. В отличие от электромагнитных реле, на контактах которых в замкнутом состоянии рассеивается пренебрежимо малая мощность, оптоэлектронные реле в открытом состоянии характеризуются некоторым остаточным напряжением (тиристорные, на биполярных или IGBT-транзисторах) или сопротивлением (полевые транзисторы) на выходе. Поэтому на них рассеивается мощность (UостЧI или RоткрЧI2), что вызывает разогрев кристалла силового элемента и требует принятия мер по ограничению температуры рабочего p-n-перехода (предельно допустимые значения рабочей температуры симисторов 110 или 125°С, тиристоров 125°С, полевых транзисторов 150°С).
В систему параметров оптореле, выпускаемых ЗАО “Протон-Импульс”, входят следующие, необходимые для расчета тепловых режимов:
· остаточное напряжение Uoc в открытом состоянии при максимальном рабочем токе (амплитудное значение);
· сопротивление Roc в открытом состоянии при 25°С при максимальном рабочем токе;
· предельно допустимая температура перехода ;
· тепловое сопротивление переход-среда Rпер-ср или переход-радиатор Rпер-рад.
Для многоканальных (многофазных) реле тепловое сопротивление приводится для одного канала (фазы).
При расчете теплового режима однофазных тиристорных реле максимально допустимый ток определяется как
...
где Тср – температура окружающей среды, Rпер-ср =Rпер-рад+Rрад-охл + Rохл-ср – для реле, применяемых с внешним охладителем (табл.). Контактное тепловое сопротивление радиатор-охладитель Rрад-охл при использовании теплопроводных паст равно 0,12°С/Вт для корпуса типа В и 0,065°С/Вт для корпуса Д.
Для трехфазных тиристорных реле
...
Изделия ЗАО “Протон-Импульс” в соответствии с ГОСТ 15150 поставляются в климатическом исполнении У 2.1, УХЛ 2.1, ХЛ 2.1, ТВ 2.1, ОМ 2.1. По устойчивости к механическим воздействиям они удовлетворяют требованиям ГОСТ 18725. Допустимые механические воздействия для реле групп М1–М47 приведены в ГОСТ 17516.1.
Монтаж реле в электронной и электротехнической аппаратуре. Реле в корпусах типов А и Б можно монтировать в аппаратуру с помощью разъемных соединителей или пайкой выводов на печатную плату при температуре не выше 235 ± 5°С и продолжительности пайки не более 5 с. Расстояние от корпуса до области пайки должно быть не менее 1,5 мм. Реле можно монтировать и методом групповой пайки. Число допустимых перепаек выводов реле при проведении монтажных и сборочных операций не ограничено. Выводы реле сохраняют способность к пайке в течение 12 месяцев с момента изготовления без дополнительной обработки.
К реле в корпусах типов В и Д с круглыми резьбовыми контактами электрические проводники и кабели присоединяются с помощью винтов и шайб, входящих в комплект поставки изделия с крутящим моментом 2–3 НЧм.
Реле в корпусах типа В и Д крепятся в аппаратуре на любых поверхностях или на монтажных плоскостях охладителей с любой ориентацией с помощью винтов М4 с крутящим моментом 5 ± 0,5 НЧм.
Шероховатость контактной поверхности не должна превышать 3,2 мкм. Для улучшения теплового баланса реле должно крепиться на монтажной поверхности или охладителе с помощью теплопроводящих паст (типа КПТ-8 ГОСТ 19783-74).
Защита и устойчивость работы реле. Для улучшения устойчивости реле переменного тока к импульсным помехам рекомендуется параллельно коммутирующим контактам ТТР включать внешнюю цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора с сопротивлением 10–50 Ом и конденсатора емкостью 0,01–0,15 мкФ. Следует учитывать, что увеличение емкости снижает скорость нарастания напряжения на выходе реле, но увеличивает величину выброса напряжения. Сопротивление RC-цепи должно быть безындукционным.
С целью исключения перегрузок коммутирующих элементов ТТР по напряжению необходимо параллельно им включать защитные варисторы типа СН2-2, СН2-1, ВР-1, ВР-2 или другие с аналогичными характеристиками. Для сетей с напряжением 220 В квалификационное напряжение варистора – 390 В, а для сетей с напряжением 380 В – 620 В. Для более полной защиты трехфазных реле от перегрузок по напряжению со стороны питающей сети защитные варисторы следует включать между фазами питающей сети.
При работе с реверсивными реле должны быть соблюдены все перечисленные рекомендации по защите ТТР и, кроме того, в коммутируемых (переключаемых) фазах питающей сети должна быть включена индуктивность 200 мкГн перед входными контактами ТТР. Биполярные реле постоянного тока также необходимо защищать варисторами.
Гальваническая развязка между входными выводами и теплоотводом гарантируется конструкцией реле. Для повышения надежности рекомендуется выбирать реле так, чтобы максимальные рабочие токи и напряжения его коммутирующих цепей не превышали 60% их предельно допустимых значений.
ТТР – тепловыделяющие изделия, поэтому в аппаратуре их необходимо располагать так, чтобы охлаждение происходило за счет конвекционных потоков воздуха. Достигаемое благодаря этому снижение максимальной рабочей температуры повышает их надежность. В условиях эксплуатации ТТР при предельно допустимых температурах целесообразно устанавливать принудительное воздушное охлаждение.
Энергия, рассеиваемая варистором в одном цикле, равна:
...
где Uкл – классификационное напряжение варистора. Если
С = 10-4 Ф, Uкл = 680 В и U0 = 380Ц2B, то Wимп = 34 Дж. При повторении один раз в минуту порядок этой величины тот же, что и у предельно допустимой величины для варисторов типа СН2-1 и СН2-2. Таким образом, при достаточно высокой частоте коммутации на больших емкостях возможен перегрев и выход варисторов, а затем и тиристоров из строя. Экспериментальная проверка этой модели с конденсаторами емкостью 50 мкФ и варисторами СН2-2-620 В показала, что:
· напряжения на конденсаторах равны 190 В, 530 В и 720 В;
· длительность нарастания импульса тока в варисторе равна примерно 1 мс;
· длительность импульса тока на уровне 0,5 составляет около 4 мс;
· амплитуда импульса тока » 10 А.
Следовательно, в условиях частых коммутаций при малом интервале между выключением–включением в схеме, приведенной на рис. 3**, необходимо использовать тиристорные реле с вдвое большим предельно допустимым напряжением или ограничители напряжения с запасом по рассеиваемой мощности. Правда, возникновения перенапряжений на тиристорах можно избежать с помощью частичного разряда конденсаторной нагрузки после выключения реле в заданной фазе и последующего его включения в той же фазе напряжений (см. рис.). При такой защите компаратор нуля выдает импульс записи в момент перехода напряжения UАВ через нуль в определенном направлении. Если сигнал на входе управления равен нулю, триггер сбрасывается в нуль, выключая через узел управления силовое реле. Поскольку в этот момент ток в фазе С равен нулю, эта фаза реле выключается, емкости перезаряжаются, а затем отключаются фазы А и В. По окончании этого процесса на выходе узла управления формируется импульс, открывающий симистор VS, и конденсатор С1 через разрядный резистор полностью разряжается, а емкости С2 и С3 разряжаются частично. При появлении на входе управления сигнала включения напряжение включения на реле поступает в той же фазе, что и сигнал выключения, при этом, как нетрудно видеть, перенапряжения отсутствуют. Такое устройство синхронного управления (УСУ) выпускает ЗАО “Протон-Импульс”.
Ударные и пусковые токи. При работе с большинством типов нагрузок включение реле сопровождается скачком тока различной длительности и амплитуды. Помимо рассмотренных выше емкостных и индуктивных (с насыщающимися сердечниками) нагрузок можно отметить и другие их типы:
· чисто активные нагрузки (например, нагреватели) с минимально возможными скачками тока, которые практически устраняются при использовании реле с контролем пересечения нуля;
· лампы накаливания. Галогенные лампы при включении пропускают ток, в 7–12 раз превышающий номинальный. За ~ 0,1 с этот ток экспоненциально падает. В флуоресцентных лампах в течение первых секунд (~10 с) возникают кратковременные скачки тока, в 5–10 раз превышающие номинальный ток. Ртутные лампы дают тройную перегрузку по току в течение первых 3-5 мин работы;
· обмотки электромагнитных реле переменного тока и соленоидов. Ток обмотки реле в течение одного-двух периодов в 3–10 раз больше номинального, вторых – в 10–20 раз больше номинального в течение 0,05–0,1 с;
· электродвигатели. Их ток в течение 0,2–0,5 с в 5–10 раз больше номинального;
· высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (например, трансформаторы на холостом ходу). При включении в фазе нуля напряжения их ток в течение 0,05–0,2 с в 20–40 раз больше номинального;
· емкостные нагрузки. Ток таких нагрузок при включении в фазе, близкой к 90°, в 20–40 раз больше номинального в течение времени от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.
Способность реле выдерживать токовые перегрузки характеризуется величиной “ударного тока”, т.е. амплитудой одиночного импульса заданной длительности (обычно 10 мс). У реле постоянного тока эта величина обычно в два-три раза превосходит значение максимально допустимого постоянного тока, у тиристорных реле – примерно в 10 раз. Для токовых перегрузок произвольной длительности можно воспользоваться следующей эмпирической зависимостью: увеличение длительности перегрузки на порядок ведет к уменьшению допустимой амплитуды тока в два раза.
Выбор номинального тока реле для конкретной нагрузки должен быть основан на компромиссе между запасом по номинальному току реле и дополнительными мерами по уменьшению пусковых токов (применение токоограничивающих резисторов, реакторов и т.п.).
Тепловые режимы оптоэлектронных реле. В отличие от электромагнитных реле, на контактах которых в замкнутом состоянии рассеивается пренебрежимо малая мощность, оптоэлектронные реле в открытом состоянии характеризуются некоторым остаточным напряжением (тиристорные, на биполярных или IGBT-транзисторах) или сопротивлением (полевые транзисторы) на выходе. Поэтому на них рассеивается мощность (UостЧI или RоткрЧI2), что вызывает разогрев кристалла силового элемента и требует принятия мер по ограничению температуры рабочего p-n-перехода (предельно допустимые значения рабочей температуры симисторов 110 или 125°С, тиристоров 125°С, полевых транзисторов 150°С).
В систему параметров оптореле, выпускаемых ЗАО “Протон-Импульс”, входят следующие, необходимые для расчета тепловых режимов:
· остаточное напряжение Uoc в открытом состоянии при максимальном рабочем токе (амплитудное значение);
· сопротивление Roc в открытом состоянии при 25°С при максимальном рабочем токе;
· предельно допустимая температура перехода ;
· тепловое сопротивление переход-среда Rпер-ср или переход-радиатор Rпер-рад.
Для многоканальных (многофазных) реле тепловое сопротивление приводится для одного канала (фазы).
При расчете теплового режима однофазных тиристорных реле максимально допустимый ток определяется как
...
где Тср – температура окружающей среды, Rпер-ср =Rпер-рад+Rрад-охл + Rохл-ср – для реле, применяемых с внешним охладителем (табл.). Контактное тепловое сопротивление радиатор-охладитель Rрад-охл при использовании теплопроводных паст равно 0,12°С/Вт для корпуса типа В и 0,065°С/Вт для корпуса Д.
Для трехфазных тиристорных реле
...
Изделия ЗАО “Протон-Импульс” в соответствии с ГОСТ 15150 поставляются в климатическом исполнении У 2.1, УХЛ 2.1, ХЛ 2.1, ТВ 2.1, ОМ 2.1. По устойчивости к механическим воздействиям они удовлетворяют требованиям ГОСТ 18725. Допустимые механические воздействия для реле групп М1–М47 приведены в ГОСТ 17516.1.
Монтаж реле в электронной и электротехнической аппаратуре. Реле в корпусах типов А и Б можно монтировать в аппаратуру с помощью разъемных соединителей или пайкой выводов на печатную плату при температуре не выше 235 ± 5°С и продолжительности пайки не более 5 с. Расстояние от корпуса до области пайки должно быть не менее 1,5 мм. Реле можно монтировать и методом групповой пайки. Число допустимых перепаек выводов реле при проведении монтажных и сборочных операций не ограничено. Выводы реле сохраняют способность к пайке в течение 12 месяцев с момента изготовления без дополнительной обработки.
К реле в корпусах типов В и Д с круглыми резьбовыми контактами электрические проводники и кабели присоединяются с помощью винтов и шайб, входящих в комплект поставки изделия с крутящим моментом 2–3 НЧм.
Реле в корпусах типа В и Д крепятся в аппаратуре на любых поверхностях или на монтажных плоскостях охладителей с любой ориентацией с помощью винтов М4 с крутящим моментом 5 ± 0,5 НЧм.
Шероховатость контактной поверхности не должна превышать 3,2 мкм. Для улучшения теплового баланса реле должно крепиться на монтажной поверхности или охладителе с помощью теплопроводящих паст (типа КПТ-8 ГОСТ 19783-74).
Защита и устойчивость работы реле. Для улучшения устойчивости реле переменного тока к импульсным помехам рекомендуется параллельно коммутирующим контактам ТТР включать внешнюю цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора с сопротивлением 10–50 Ом и конденсатора емкостью 0,01–0,15 мкФ. Следует учитывать, что увеличение емкости снижает скорость нарастания напряжения на выходе реле, но увеличивает величину выброса напряжения. Сопротивление RC-цепи должно быть безындукционным.
С целью исключения перегрузок коммутирующих элементов ТТР по напряжению необходимо параллельно им включать защитные варисторы типа СН2-2, СН2-1, ВР-1, ВР-2 или другие с аналогичными характеристиками. Для сетей с напряжением 220 В квалификационное напряжение варистора – 390 В, а для сетей с напряжением 380 В – 620 В. Для более полной защиты трехфазных реле от перегрузок по напряжению со стороны питающей сети защитные варисторы следует включать между фазами питающей сети.
При работе с реверсивными реле должны быть соблюдены все перечисленные рекомендации по защите ТТР и, кроме того, в коммутируемых (переключаемых) фазах питающей сети должна быть включена индуктивность 200 мкГн перед входными контактами ТТР. Биполярные реле постоянного тока также необходимо защищать варисторами.
Гальваническая развязка между входными выводами и теплоотводом гарантируется конструкцией реле. Для повышения надежности рекомендуется выбирать реле так, чтобы максимальные рабочие токи и напряжения его коммутирующих цепей не превышали 60% их предельно допустимых значений.
ТТР – тепловыделяющие изделия, поэтому в аппаратуре их необходимо располагать так, чтобы охлаждение происходило за счет конвекционных потоков воздуха. Достигаемое благодаря этому снижение максимальной рабочей температуры повышает их надежность. В условиях эксплуатации ТТР при предельно допустимых температурах целесообразно устанавливать принудительное воздушное охлаждение.
Отзывы читателей
