Максимальная токовая защита: принцип действия, виды, примеры схем

В силу разных причин аварии в электросетях случаются довольно часто. При коротком замыкании губительно действует на все электроприборы сверхток. Если не предпринять защитных мер, то последствием от неуправляемого увеличения тока может стать не только повреждение электроустановок на участке от места аварии до источника питания, но и выведение из строя всей энергосистемы. Во избежание негативных последствий, вызванных авариями, применяются разные схемы электрозащиты:

• отсечка;
• дифференциально-фазная;
• высокоэффективная максимальная токовая защита электрических цепей (МТЗ).

Из перечисленных видов защиты самой распространённой является МТЗ. Этот простой и надёжный способ предотвращения опасных перегрузок линий нашёл широкое повсеместное применение благодаря обеспечению селективности, то есть, обладанию способностью избирательно реагировать на различные ситуации.

Устройство и принцип действия

Конструктивно МТЗ состоят из двух важных узлов: автоматического выключателя и реле времени. Они могут быть объединены в одной конструкции либо размещаться отдельными блоками.

Отличия от токовой отсечки

Из всех видов защиты по надёжности лидирует токовая отсечка. Примером может служить защита бытовой электросети устройствами с применением плавких предохранителей или пакетных автоматов. Метод токовых отсечек гарантирует обесточивания защищаемой цепи в аварийных ситуациях. Но для возобновления подачи электроэнергии необходимо устранить причину отсечения и заменить предохранитель, либо включить автомат.

Недостатком такой системы является то, что отключение может происходить не только вследствие КЗ, но и в результате даже кратковременного превышения параметров по току нагрузки. Кроме того, требуется участие человека для восстановления защиты. Эти недостатки не критичны в бытовой сети, но они неприемлемы при защите разветвлённых линий электропередач.

Благодаря тому, что в конструкциях МТЗ предусмотрены реле времени, задерживающие срабатывание механизмов отсечения, они кратковременно игнорируют перепады напряжений. Кроме того, токовые реле сконструированы таким образом, что они возвращаются в исходное положение после ликвидации причины, вызвавшей размыкание контактов.

Именно эти два фактора кардинально отличают МТЗ от простых токовых отсечек, со всеми их недостатками.

Принцип действия МТЗ

Между узлом задержки и токовым реле существует зависимая связь, благодаря которой отключение происходит не на начальной стадии возрастания тока, а спустя некоторое время после возникновения нештатной ситуации. Данный промежуток времени слишком короткий для того, чтобы величина тока достигла критического уровня, способного навредить защищаемой цепи. Но этого хватает для предотвращения возможных ложных срабатываний защитных устройств.

Принцип действия систем МТЗ напоминает защиту токовой отсечки. Но разница в том, что токовая отсечка мгновенно разрывает цепь, а МТЗ делает это спустя некоторое, наперёд заданное время. Этот промежуток, от момента аварийного возрастания тока до его отсечения, называется выдержкой времени. В зависимости от целей и характера защиты каждая отдельная ступень времени задаётся на основании расчётов.

Наименьшая выдержка времени задаётся на самых удалённых участках линий. По мере приближения МТЗ к источнику тока, временные задержки увеличиваются. Эти величины определяются временем, необходимым для срабатывания защиты и именуются ступенями селективности. Сети, построенные по указанному принципу, образуют зоны действия ступеней селективности.

Такой подход обеспечивает защиту поврежденного участка, но не отключает линию полностью, так как ступени селективности увеличиваются по мере удаления МТЗ от места аварии. Разница величин ступеней позволяет защитным устройствам, находящимся на смежных участках, оставаться в состоянии ожидания до момента восстановления параметров тока. Так как напряжение приходит в норму практически сразу после отсечения зоны с коротким замыканием, то авария не влияет на работу смежных участков.

Примеры использования защиты

• с целью локализации и обезвреживания междуфазных КЗ;
• для защиты сетей от кратковременных перегрузок;
• для обесточивания трансформаторов тока в аварийных ситуациях;
• в качестве протектора при запуске мощного, энергозависимого оборудования.

Задержка времени очень полезна при пуске двигателей. Дело в том, что на старте в цепях обмоток наблюдается значительное увеличение пусковых токов, которое системы защиты могут воспринимать как аварийную ситуацию. Благодаря небольшой задержке времени МТЗ игнорирует изменение параметров сети, возникающие при пуске или самозапуске электродвигателей. За короткое время показатели тока приближаются к норме и причина для аварийного отключения устраняется. Таким образом, предотвращается ложное срабатывание.

Пример подключения МТЗ электродвигателя иллюстрирует схема на рисунке 1. На этой схеме реле времени обеспечивает уверенный пуск электромотора до момента реагирования токового реле.

Рисунок 1. МТЗ с выдержкой времени

Аналогично работает задержка времени при кратковременных перегрузках в защищаемой сети, которые не связаны с аварийными КЗ. Отсечка действует лишь в тех случаях, когда на защищаемой линии возникает значительное превышение номинальных значений, которое по времени превосходит величину выдержки.

Для надёжности защиты на практике часто используют схемы двухступенчатой и даже трёхступенчатой защиты участков цепей. Стандартная трёхступенчатая защитная характеристика выглядит следующим образом (Рис. 2):

Рис. 2. Карта селективности стандартной трёхступенчатой защиты

На абсциссе отмечено значения тока, а на оси ординат время задержки в секундах. Кривая в виде гиперболы отображает снижение времени защиты от возрастания перегрузок. При достижении тока отметки 170 А включается отсчёт времени МТЗ. Задержка времени составляет 0,2 с, после чего на отметке 200 А происходит отключение. То есть, разрыв цепи происходит в случае отказа защиты остальных устройств.

Расчет тока срабатывания МТЗ

Стабильность работы и надёжность функционирования максимально-токовой защиты зависит от настройки параметров по току срабатывания. Расчёты должны обеспечивать гарантированное срабатывание реле при авариях, однако на её работу не должны влиять параметры тока нагрузки, а также кратковременные всплески, возникающие в режиме запуска двигателей.

Следует помнить, что слишком чувствительные реле могут вызывать ложные срабатывания. С другой стороны, заниженные параметры срабатывания не могут гарантировать безопасности стабильной работы электроприборов. Поэтому при расчетах уставок необходимо выбирать золотую середину.

Существует формула для расчёта среднего значения тока, на который реагирует электромагнитное реле [ 1 ]:

где I_с.з. – минимальный первичный ток, на который должна реагировать защита, а I_{н. макс.} – предельное значение тока нагрузки.

Ток возврата реле подбирается таким образом, чтобы его хватило повторного замыкания контактов в отработавшем устройстве. Для его определения используем формулу:

Здесь I_вз– ток возврата, k_н. – коэффициент надёжности, k_з – коэффициент самозапуска, I_{раб. макс.} – величина максимального рабочего тока.

Для того чтобы токи возврата и срабатывания максимально приблизить, вводится коэффициент возврата, рассчитываемый по формуле:

k_в = I_вз / I_с.з. с учётом которого I_с.з. = k_н.×k_з.×I_{раб. макс.} / k_в

В идеальном случае k_в = 1, но на практике этот коэффициент всегда меньший за единицу. Чувствительность защиты тем выше, чем выше значение kв.. Отсюда вывод: для повышения чувствительности необходимо подобрать k_в в диапазоне, стремящимся к 1.

Виды максимально-токовых защит

В электрических сетях используют 4 разновидности МТЗ. Их применение диктуется условиями, которые требуется создать для уверенной работы электрооборудования.

МТЗ с независимой от тока выдержкой времени

В таких устройствах выдержка времени не меняется. Для задания уставок периода, достаточного для активации реле с независимыми характеристиками, учитывают ступени селективности. Каждая последующая выдержка (в сторону источника тока) увеличивается от предыдущей на промежуток времени, соответствующий ступени селективности. То есть, при расчётах необходимо соблюдать условия селективности.

МТЗ с зависимой от тока выдержкой времени

В данной защите процесс задания уставок МТЗ требует более сложных расчётов. Зависимые характеристики, в случаях с индукционными реле, выбирают по стандарту МЭК: t_сз = A / (k n — 1), где A, n – коэффициенты чувствительности, k = I_раб / I_ср — кратность тока.

Из формулы следует, что выдержка времени уже не является константой. Она зависит от нескольких параметров, в т. ч. и от силы тока, попадающего на обмотки реле, причём эта зависимость обратная. Однако выдержка не линейная, её характеристика приближается к гиперболе (рис. 3). Такие МТЗ используют для защиты от опасных перегрузок.

Рисунок 3. Характеристика МТЗ с зависимой выдержкой

МТЗ с ограниченно-зависимой от тока выдержкой времени

В устройствах данного вида релейных защит совмещено две ступени защиты: зависимая часть с гиперболической характеристикой и независимая. Примечательно, что времятоковая характеристика независимой части является прямой, плавно сопряжённой с гиперболой. При малых кратностях критичных токов характеристика зависимого периода более крутая, а при больших – пологая кривая (применяется для защиты электромоторов большой мощности).

МТЗ с пуском (блокировкой) от реле минимального напряжения

В данном виде дифференциальной защиты применена комбинация МТЗ с использованием влияния минимального напряжения. В электромеханическом реле произойдёт размыкание контактов только тогда, когда возрастание тока в сети приведёт к падению разницы потенциалов. Если падение превысит нижнюю границу напряжения уставки – это вызовет отработку защиты. Поскольку уставка задана на падение напряжения, то реле не среагирует на резкие скачки тока в сети.

Примеры и описание схем МТЗ

С целью защиты обмоток трансформаторов, а также других элементов сетей с односторонним питанием используются различные схемы.

МТЗ на постоянном оперативном токе.

Особенность данной схемы в том, что управление элементами защиты осуществляется выпрямленным током, который меняет полярность, реагируя на аварийные ситуации. Мониторинг изменения напряжения выполняют интегральные микроэлементы.

Для защиты линий от последствий междуфазных замыканий используют двухфазные схемы на двух, либо на одном токовом реле.

Однорелейная на оперативном токе

В данной защите используется токовое пусковое реле, которое реагирует на изменение разности потенциалов двух фаз. Однорелейная МТЗ реагирует на все межфазные КЗ.

Схема на 1 реле

Преимущества: одно токовое реле и всего два провода для подсоединения.

Недостатки:

• сравнительно низкая чувствительность;
• недостаточная надёжность – при отказе одного элемента защиты участок цепи остаётся незащищённым.

Однорелейка применяется в распределительных сетях, где напряжение не превышает 10 тыс. В, а также для безопасного запуска электромоторов.

Двухрелейная на оперативном токе

В данной схеме токовые цепи образуют неполную звезду. Двухрелейная МТЗ реагирует на аварийные междуфазные короткие замыкания.

Схема на 2 реле

К недостаткам этой схемы можно отнести ограниченную чувствительность. МТЗ выполненные по двухфазным схемам нашли широкое применение, особенно в сетях, где используется изолированная нейтраль. Но при добавлении промежуточных реле могут работать в сетях с глухозаземлённой нейтралью.

Трехрелейная

Схема очень надёжная. Она предотвращает последствия всех КЗ, реагируя также и на однофазные замыкания. Трехфазные схемы можно применять в случаях с глухозаземлённой нейтралью, вопреки тому, что там возможны ситуации с междуфазными так и однофазными замыканиями.

Из рисунка 4 можно понять схему работы трёхфазной, трёхлинейной МТЗ.

Рисунок 4. Схема трёхфазной трёхрелейной защиты

Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ изображена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема двухфазного трёхрелейного подключения МТЗ

На схема обозначены:

• KA — реле тока;
• KT — реле времени;
• KL — промежуточное реле;
• KH — указательное реле;
• YAT — катушка отключения;
• SQ — блок контакт, размыкающий цепь;
• TA — трансформатор тока.

Видео в дополнение темы

Источник

Реле ограничения пускового тока. Что это и зачем нужно?

Высокие пусковые токи светодиодных ламп. Почему это — проблема, и как эту проблему решить?

Светодиодные лампы и светильники сейчас используются повсеместно. В основе их конструкции, как не трудно догадаться – светодиоды. Обычную лампу накаливания можно подключать напрямую к электросети. Со светодиодами так не получится. Для питания светодиодов требуется постоянный ток. И более низкое напряжение. Потому, любая светодиодная лампа, лента, любой светодиодный светильник, требуют специального блока питания. Он преобразует сетевое напряжение, в напряжение, требуемое для конкретных светодиодов. Блоки питания для светодиодных ламп, лент и светильников называются драйверы. Драйверы бывают разных размеров и разного исполнения. Например, драйвер светодиодной лампы выглядит так:

А драйверы для светодиодной ленты так:

Не важно как выглядят используемые вами блоки питания. Важно, что все они – импульсные. От обычного, трансформаторного, импульсный блок питания отличается наличием выпрямителя и фильтрующего конденсатора. Мы не будем вдаваться в технические подробности. Запомните главное: стартовый ток импульсного блока питания, многократно превышает номинальный ток нагрузки. Несмотря на то, что этот всплеск кратковременный, он может привести к серьезным проблемам

Высокие пусковые токи, какие могут возникнуть проблемы?

• Срабатывание автоматического выключателя.
• Поломка светорегуляторов
• Спаивание контактов выключателей и реле

Также, стоит учитывать, что импульсные блоки питания — это не только светодиодные лампы и светильники. Большинство современных электроприборов, офисной и бытовой техники тоже имеют импульсные блоки питания. Даже зарядка вашего смартфона – это импульсный блок питания. Если вы хорошо разбираетесь в электронике, вы наверное сможете решить проблему высоких пусковых токов. Но, что делать, если у вас нет времени, или желания ее решать? Или, что вероятнее, вам просто не хватает знаний для этого?

Впрочем, если у вас в люстре пять-шесть светодиодных ламп – проблем не будет. А если больше? А если у вас несколько мощных светильников? А если несколько светодиодных панелей, или метров 30 светодиодной ленты? В этом случае проблемы неизбежны! Возможно, вы не сразу их заметите. Что же делать?

Использовать реле ограничения пусковых токов (РОПТ) МРП-101 (Меандр). Это самое простое решение проблемы высоких стартовых токов.

Реле ограничения пускового тока (РОПТ) Меандр МРП-101

Реле ограничения пускового тока МРП-101 предназначены для уменьшения пусковых токов при включении емкостных нагрузок (например, импульсных БП, драйверов LCD и т.д.). При включении напряжения контакты встроенного реле разомкнуты. Ток ограничивается встроенным резистором. Через заданное время задержки контакты реле замыкаются. В дальнейшем реле на работу нагрузки влияния не оказывает.

Почему РОПТ (реле ограничения пускового тока) МРП-101?

1. Его очень просто подключать.
2. Оно ставится между выключателем и нагрузкой.

Вы без проблем поставите МРП-101 в щите. Если в щите нет места, то не «вешайте» его на DIN-рейку, а просто поставьте (положите) в щит. Принципиально не хотите влезать в щит, но ваших знаний хватает для подключения люстры и установки выключателя? Нет проблем. Реле МРП-101 работает в любом положении. Его можно подсоединить к контактам светильника и оставить в запотолочном пространстве. Можно поставить рядом с блоком питания светодиодной ленты. Можно поместить в распаячную коробку. Как видите, все очень просто!

Источник

Автоматы защиты двигателей

2021-02-13 Промышленное 5 комментариев

Автоматы защиты двигателей, или по другому мотор-автоматы, предназначены в первую очередь для защиты электродвигателей от перегрева и последствий короткого замыкания, а также могут использоваться в качестве основного или аварийного выключателя. То есть по сути они совмещают в одном корпусе два устройства — автоматический выключатель и тепловое реле.

Ранее, до того как стали повсеместно применяться мотор-автоматы, для защиты двигателей использовались тепловые реле в паре с контактором.

По такой схеме тепловое реле, при превышении двигателем потребляемого тока нагрузки, размыкает цепь катушки контактора, отключая его силовые контакты и таким образом защищая двигатель. Схема рабочая, проверенная, но не лишенная недостатков. В первую очередь к ним стоит отнести неспособность тепловых реле защитить от КЗ, поэтому необходимо дополнительно использовать автоматические выключатели. Да и габариты такой конструкции из контактора и теплового реле получаются достаточно большими.

Поэтому с появлением автоматов защиты двигателей, тепловые реле стали отходить на второй план и на данный момент, их применение довольно ограничено.

Стоит сразу сказать, что по своим характеристикам, автоматы защиты двигателей несколько отличаются от обычных автоматических выключателей. В первую очередь тем, что:

1. Учитываются время-токовые характеристики. При запуске двигателя пусковой ток может значительно превышать номинальный ток двигателя. Если точнее, то пусковой ток можно рассчитать, зная номинальный ток двигателя и величину кратности пускового тока Кп ( коэффициент кратности пускового тока к номинальному значению — Iпуск/Iном). Данная характеристика указывается в технических характеристиках, на шильде двигателя она отсутствует. I пуск = Iн х Кп. Например, при номинальном токе двигателя 20 А и кратности пускового тока 6, пусковой ток будет составлять 120 А. При таком токе обычный автоматический выключатель с время-токовой характеристикой B (ток отключения электромагнитной защиты от 3·In до 5·In, где In — номинальный ток) или С (от 5·In до 10·In) может отключится по электромагнитной защите. Автоматы защиты двигателей имеют уставку срабатывания электромагнитного расцепителя в зависимости от номинала, составляющую от 7,5 до 17,5 In.
2. Все мотор-автоматы имеют температурную компенсацию (примерно от -25 до +60 °C) для того, чтобы исключить влияние внешней температуры на работу автомата, так как при изменении окружающей температуры может изменятся уставка теплового расцепителя, что может в свою очередь привести к ложным срабатываниям.
3. Предельная отключающая способность (максимальный ток КЗ, при котором аппарат способен отключить нагрузку) автоматов защиты двигателя значительно выше (25-100кА), чем у стандартных автоматических выключателей — 4,5 — 6кА.
4. Регулируемая настройка теплового расцепителя, в зависимости от номинала двигателя.

Принцип работы автомата защиты двигателей

Электромагнитный расцепитель выполнен в виде катушки соленоида, внутри которой расположен стальной сердечник с возвратной пружиной. Под действием электрического тока короткого замыкания сердечник втягивается в катушку, преодолевая сопротивление пружины и воздействует на механизм расцепления, в следствии чего контакты размыкаются.

Принцип работы тепловых расцепителей автомата такой же, как у тепловых реле. Имеется биметаллическая пластина, состоящая из двух пластин, которые сделаны из материалов с разными коэффициентами теплового расширения. Под воздействием высокой температуры, возникающей в следствии прохождения тока, превышающего номинальный, пластина начинает изгибаться, давить на механизм расцепителя и под действием пружины происходит размыкание контактов, тем самым обесточивается цепь.

Сразу после срабатывания защиты, вновь включить автомат не получится, таким образом обеспечивается выдержка времени для охлаждения двигателя после его аварийного останова.

Уставка срабатывания задается при помощи поворотного регулятора на лицевой части.

Необходимый ток уставки выставляется вращением регулятора до совмещения нужного значения тока на шкале с риской на корпусе.

Схема подключения автомата защиты двигателей

Автоматический выключатель следует устанавливать перед другими аппаратами в цепи. Это позволяет защитить не только сам двигатель, но и например, контактор от повреждения в случае перегрузки или короткого замыкания. Также, как и в случае автоматических выключателей, автомат защиты двигателей можно дополнительно оснастить вспомогательными контактами (контакты состояния, аварийный контакт), которые можно задействовать, например, для индикации состояния.

В случае подключения трехфазной нагрузки схема подключения стандартная и не вызывает вопросов, а вот в случае однофазной нагрузки (стоит отметить, что все мотор автоматы выпускаются только в трехполюсном исполнении), иногда встречаюсь с подключением, когда просто задействуют один силовой контакт автомата защиты. Но такое подключение неправильное, необходимо, как на рисунке ниже слева, задействовать все три контакта.

Кстати, обратите внимание, что автомат защиты двигателя имеет свое условно-графическое обозначение в схемах, отличающееся от обозначения обычных автоматических выключателей. А вот буквенное обозначение у них идентично.

Основные функции защиты

• Защита от токов короткого замыкания в цепи питания или внутри электродвигателя;
• Защита от длительных перегрузок, связанных с превышением механической нагрузки на валу двигателя;
• Защита от асимметрии фаз и обрыва фазного провода;
• Тепловая защита от перегрева двигателя;
• Обеспечение выдержки времени для охлаждения двигателя после его аварийной остановки после перегрева;
• Индикация режимов работы и аварийных состояний;

Выбор автомата защиты

В случае прямого запуска, когда двигатель включается в работу с помощью мотор-автомата и контактора, необходимо в первую очередь знать его мощность. Эту информацию можно найти либо в технических характеристиках на двигатель, либо в паспортных данных, которые указаны на шильде.

Следующим шагом подбираем автомат, исходя из номинальной мощности двигателя. У различных фирм-производителей можно найти таблицы характеристик, где указаны номинальный рабочий ток и диапазон регулировки автоматов защиты в зависимости от мощности двигателя. В частности, на рисунке ниже приведена таблица соответствия автоматов защиты двигателей компании Allen Bradley.

И последним этапом выставляем необходимый ток отключения при помощи регулятора диапазона. Обычно указывается, что он должен быть больше или равен номинальному току электродвигателя. Но желательно, чтобы ток срабатывания защиты превышал на 10-20% номинальный ток двигателя.

То есть в случае, если номинальный ток двигателя составляет например 10 А, умножаем это значение на 1,1. Получаем 11 А. Это значение тока и выставляем регулятором.

И еще хотел сказать пару слов о конструктивном исполнении мотор автоматов. В первую очередь следует отметить, что по способу управления существует два типа автоматов — кнопочные и с поворотным выключателем. Также клеммы могут быть либо винтовые, либо с пружинным контактом ( применяются для двигателей, мощностью до 2 кВт). Можно еще отметить наличие кнопки Тест на лицевой стороне корпуса, позволяющей имитировать срабатывание защиты автомата для проверки его работоспособности.

И в заключении хотел отметить, что эксплуатация двигателей без защитных устройств часто приводит к их выходу из строя, в следствии перегрузки, обрыва фазы, скачков напряжения и т.д. А это в свою очередь приводит к финансовым затратам, простою оборудования. Поэтому автоматы защиты двигателей являются необходимым элементом и не стоит на них экономить, тем более, что цены на них на данный момент вполне приемлемые.

Источник

Борьба с пусковыми токами, помехами и пульсациями

В составе статических преобразователей для систем электроснабжения, питаемых от сетей однофазного переменного тока 220 В 50 Гц и трехфазного переменного тока 380 В 50 Гц традиционно используется входное звено, осуществляющее преобразование переменного сетевого напряжения в постоянное, которое затем трансформируется посредством управляемого высокочастотного звена в переменное напряжение импульсной формы. С момента появления высокочастотных преобразователей входное звено по своему схемотехническому построению не претерпело существенных изменений: традиционно оно представляет собой каскадное соединение выпрямителя (мостового или трехфазного, управляемого или неуправляемого) и сглаживающего емкостного или индуктивно-емкостного фильтра. Разработка таких схем, что называется, «в лоб», может привести к появлению зарядных сверхтоков, во много раз превышающих рабочие токи потребления. Поэтому разработчики силовой преобразовательной техники применяют меры разной степени сложности для полного исключения пусковых сверхтоков или их снижения до безопасных значений. Поговорим подробнее об этих мерах.

В случае разработки маломощных высокочастотных статических преобразователей (с выходной мощностью не более 200…300 Вт), входное звено, питаемое от однофазной сети, сроится по хорошо известной простейшей схеме, показанной на рис. 2.4.1.

Переменное напряжение 220 В 50 Гц здесь выпрямляется диодным мостом VDl…VD4, пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются емкостным фильтром на основе конденсатора С. Поскольку включение преобразователя в питающую сеть может произойти не только в момент, когда сетевое напряжение близко к нулевому, но и на его амплитуде, зарядный ток конденсатора С может легко вывести из строя диодный мост, то есть вызвать эффект токового пробоя, если не приняты меры по ограничению этого сверхтока. Понятно, что ограничение зарядного тока в условиях близкого к нулевому импедансу конденсатора С, может происходить только за счет активного сопротивления токоведущих проводников (которое крайне мало), а это значит, что, по сути, никакой защиты от аварийного режима в таком случае быть не может. Чтобы все-таки исключить возникновение аварийного режима, в состав входного звена вводится резистор R с небольшим сопротивлением, ограничивающим зарядный ток. Этот способ защиты широко используется в промышленных преобразователях, даже несмотря на то, что в рабочем режиме резистор R вынужден рассеивать тепловую энергию, а значит, несколько снижает КПД преобразователя в целом. Методы расчета номинала резистора R хорошо известны, и с ними можно познакомиться, например, в [1] и [2].

Коэффициент полезного действия (КПД) схемы, показанной на рис. 2.4.1, можно повысить, если применить вместо линейного резистора R нелинейный термистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры. Что дает применение термистора? При первоначальном пуске токовый импульс разогревает термистор, и его сопротивление резко возрастает, обеспечивая снижение пускового тока. В установившемся режиме потребления тока термистор восстанавливает свое малое сопротивление (охлаждается), и тепловые потери уменьшаются.

Рис. 2.4.1. Входное звено маломощных преобразователей

При разработке мощной преобразовательной техники существенной становится проблема отвода выделяемого тепла, поэтому разработчики стремятся максимально снизить тепловыделение, зачастую — ценой значительного усложнения схемы построения. Соответственно, описанный выше метод снижения пусковых токов здесь приходится модифицировать. Рассмотрим подробнее такие модификации.

На рис. 2.4.2 приведена модифицированная схема ограничения пусковых сверхтоков, часто применяемая в составе преобразователей с номинальной выходной мощностью более 1 кВт. Как видно из схемы, в составе первичного звена имеется уже знакомый нам ограничительный резистор R, но, кроме этого, также введены дополнительные элементы: контактор K1 подачи сетевого напряжения 3 x 380 В 50 Гц; реле K2, шунтирующее токоограничительный резистор R; датчик контроля выходного напряжения ДН. При первоначальном включении замыкается контактор K1 и конденсатор С заряжается через ре-

зистор R. При этом величина напряжения U_c на конденсаторе С контролируется датчиком напряжения ДН. Когда напряжение U_c достигает величины, необходимой для запуска звена высокочастотного инвертора, замыкается реле K2, шунтируя резистор R, что обеспечивает снижение тепловых потерь в установившемся режиме работы.

Каковы недостатки данной схемы? Во-первых, в состав звена вводятся контакторы и реле с мощными контакторами, которые должны допускать прохождение тока не ниже номинальной потребляемой величины. Во-вторых, появляется дополнительная электронная схема на основе датчика напряжения ДН, которая должна алгоритмически отрабатывать задачу пуска и принимать решение об отключении контактора K1, если напряжение на конденсаторе С не достигнет требуемой величины за заданное время (напряжение питающей сети не соответствует номинальному в меньшую сторону), или в процессе работы произошел выход питающего напряжения за номинальные пределы. Кроме этого, электронная схема должна обеспечить задержку повторного пуска после отключения преобразователя, в противном случае преобразователь может выйти на режим питания с разомкнутым реле K2, а это однозначно приведет к недопустимому разогреву токоограничительного резистора R. Тем не менее, описанная схема в авторском варианте использована при разработке серийного статического преобразователя трехфазного напряжения 380 В 50 Гц в трехфазное напряжение 220 В 400 Гц мощностью 6 кВА. В процессе шестилетней эксплуатации узел ни разу не отказал и зарекомендовал себя по параметру надежности с лучшей стороны.

Более сложная (но и более эффективная) схема ограничения сверхтоков, использованная при разработке преобразователя постоянного тока мощностью 12 кВт, приведена на рис. 2.4.3.

Эта схема ограничения сверхтоков кардинально отличается от описанных выше, так как построена на основе чопперного регулятора напряжения [1]. В ней используется IGBT транзисторная сборка VT1 типа CM200DY-24A (производитель — «Mitsubishi Electric») со встроенными ультрабыстрыми диодами. Дроссели L1, L2 и конденсатор C2 образуют фильтр пульсаций выпрямленного напряжения. Конденсатор C1 защищает схему от выбросов напряжения при работе. Кроме того, в схеме имеются: датчик тока ДТ типа LA55P и датчик напряжения ДН типа LV25P (производитель — ОАО «Твелем»), драйвер ДР управления «верхним» транзистором IGBT-сборки (производитель — ЗАО «Электрум АВ»), схема управления СУ.

В момент включения преобразователя в сеть транзисторУТ1.1 переводится в проводящее состояние, начинается заряд конденсатора C2. При достижении пускового тока некоторого установленного значения, схема управления СУ прерывает ток, который далее начинает снижаться до другого установленного значения, транзисторУТ1.1 вновь переводится в проводящее состояние, и процесс повторяется. Причем цикличность этого процесса продолжается до тех пор, пока не сработает датчик напряжения ДН, свидетельствующийодостижении напряжения на конденсаторе C2 уровня, необходимого для запуска высокочастотного инвертора. Датчик ДН через схему управления блокирует транзистор VT1.1 в открытом состоянии, и далее происходит запуск высокочастотного инвертора. Главное достоинство этой схемы очевидно: с ее помощью можно достичь значения пускового тока, не превышающего значения потребляемого номинального тока в установившемся режиме работы (естественно, за счет увеличения времени заряда конденсатора C2). К сожалению, и данное схемотехническое решение оказалось достаточно сложным с точки зрения своей реализации: в состав преобразователя пришлось ввести ряд непростых функциональных узлов, которые используются по прямому назначению преимущественно в момент первоначального пуска, и в дальнейшем не несут никакой функциональной нагрузки. Кроме того, схема по рис. 2.4.3 в процессе эксплуатации показала себя гораздо менее надежной, чем схема по рис. 2.4.2.

Можно построить входное звено статического преобразователя с применением тиристора в качестве ключевого элемента, шунтирующего зарядный резистор. На рис. 2.4.4 показан вариант такого звена, достаточно хорошо известный разработчикам силовой техники. Но это — не самое лучшее техническое решение, так как тиристор имеет 4-слойную структуру, из-за чего падение напряжения на нем тоже велико, а значит, рассеивается дополнительная тепловая энергия.

Возможно ли найти скрытые возможности традиционных элементов входных цепей статических преобразователей, чтобы обеспечить надежную защиту от сверхтоков? Давайте обратимся к рис. 2.4.5, на котором состав входного звена мощного статического преобразовате-

Рис. 2.4.4. Вариант входной цепи с использованием тиристора в качестве

Рис. 2.4.5. Входное звено мощного преобразователя

ля обозначен подробнее. В составе звена имеется, во-первых, сетевой дроссель L1, ограничивающий распространение высокочастотных гармоник в питающую сеть и гасящий коммутационные перенапряжения. Кроме этого, в составе силовой схемы предусмотрен помехоподавляющий фильтр (ППФ) модульного исполнения, задерживающий высшие гармоники помех (радиопомехи). Элементы фильтра подавления пульсаций выпрямленного напряжения L2, С тривиальны, а потому не требуют пояснений.

Использовать ППФ в качестве ограничителя пусковых токов не получится, так как эта функция ему не свойственна, а вот близкие к этой задаче функции выполняютдроссели L1 и L2. Их, как оказалось, можно «нагрузить» еще и на выполнение задачи ограничения пусковых токов. Вот здесь необходимо сделать небольшое «лирическое» отступление и сказать несколько добрых слов в адрес сетевых дросселей, выпускаемых фирмой «Elhand» [36]. Внешний вид наиболее интересных в данном случае типов дросселей показан на рис. 2.4.6, а—д.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник