Электромеханические и твердотельные реле

Реле могут иметь  контроль нуля фазы силового напряжения (т.е. включаться при значении этого напряжения, близком к нулю) (типа ТМ) или не иметь этого контроля (типа ТС).

По управлению реле могут  иметь токовые или потенциальные  входы, причем токовые входы могут быть только у однофазных и двухканальных реле, потенциальные – у всех.

Тиристорные структуры весьма чувствительны к перенапряжениям – их появление ведет к необратимому пробою, поэтому актуальной является задача защиты выходов реле от перенапряжений. Основным средством такой защиты является шунтирование выходов реле варисторами. При выборе варистора следует исходить из того, что классификационное напряжение должно превосходить амплитудное значение рабочего напряжения Uампл с учетом нестабильности сети и технологического разброса значения Uкл и быть ниже пробивного напряжения тиристоров Uпроб.

Вводя обозначения:

,

(1.1)

Iном – среднеквадратичное  значение тока нагрузки,

- допустимое импульсное перенапряжение  в сети.

Полагая Uапл/Uкл = 0,8, можно записать для кривой, ниже которой лежит  область безопасной работы, выражение:

,

(1.2)

 

На рисунке 1.5 представлены графики таких кривых для некоторых  значений Iном. Из рисунка 1.5 следует, что при заданном импульсном перенапряжении для больших рабочих токов требуется более высокий класс реле по напряжению.

Второй особенностью тиристорных структур является чувствительность к высоким значениям скорости нарастания напряжения (dU/dt). Механизмы появления больших dU/dt следующие:

- включение напряжения в цепь нагрузки в фазе, близкой к 90 °;

- импульсные помехи в цепи нагрузки;

 

 

Рисунок 1.5 – Область безопасной работы

 

- коммутационные скачки напряжения при выключении тиристора в цепи с индуктивной нагрузкой из-за сдвига фазы между током и напряжением.

Описанные скачки напряжения при превышении dU/dt некоторой критической величины могут приводить к несанкционированному отпиранию тиристоров.

Для защиты реле от потери управления из-за dU/dt применяется шунтирование выходов R-C-цепью. Дополнительным методом повышения устойчивости реле к быстрым скачкам напряжения является введение в цепь нагрузки реактора задержки, который представляет собой индуктивность на сердечнике с высокой магнитной проницаемостью и квадратной петлей гистерезиса. Следует отметить, что, уменьшая скорость нарастания тока на начальной стадии включения тиристора, реактор способствует равномерному распределению плотности тока по кристаллу тиристора, защищая его от разрушительного воздействия высоких значений dI/dt.

При работе на индуктивную  нагрузку существует опасность перегрузки по току в силу ряда факторов:

- асимметрия включения выходных тиристоров (симисторов), приводящая к постоянной составляющей тока;

- насыщению сердечников высоко индуктивных нагрузок из-за совпадения остаточной намагниченности сердечника с направлением тока в момент включения.

Асимметрия включения  может являться следствием: 

- асимметрии углов проводимости из-за различия напряжения включения тиристоров в разных полярностях;

- асимметрии углов проводимости при некорректном фазоимпульсном управлении реле;

- частичного (полуволнового) открывания реле из-за того, что обратное напряжение пересекает «окно» разрешения включения слишком быстро и тиристор не успевает включиться.

Работа на емкостную  нагрузку характеризуется основными  особенностями:

-         возможностью появления в цепи реле больших скачков тока с высоким dI/dt;

,

(1.3)

- появлению на выходе  реле удвоенного амплитудного  значения силового напряжения.

Пусковой скачок тока появляется при включении реле в  фазе напряжения, отличной от нуля. Для  линии ~ 220 В при включении в  максимуме напряжения, при времени включения тиристоров 10^-6 секунд получаем для С = 100 мкФ:

(1.4)

т.е. в 4000 раз больше номинального среднеквадратичного тока.

Скорость нарастания тока:

(1.5)

 При индуктивности  цепи нагрузки 1 мкГн может достигать  310 А/мкс, в то время как типовое предельно-допустимое значение dI/dt =(20 ¸ 160)А/мкс.

Периодические скачки тока при пересечении током линии  нуля происходит из-за того, что напряжение включения тиристоров отлично от нуля.

Такие скачки для С = 100 мкФ могут достигать значений до 1500 А, порождая электромагнитные помехи и высокочастотные гармоники тока в цепи нагрузки, которые могут вести к деградации конденсаторов.

Из вышеизложенного  следует необходимость использования  с емкостными нагрузками реле с контролем перехода фазы напряжения через ноль и с малым напряжением включения.

Второй фактор – удвоенное  амплитудное напряжение на выходе реле, которое проявляется при выключении реле. Поскольку выключение тиристора происходит при токе через него, близком к нулю, напряжение на емкости нагрузки после выключения из-за сдвига фаз ток/напряжение зафиксируется на уровне, близком к амплитудному значению, и в следующем полупериоде сложится с напряжением сети, достигнув по амплитуде 2Uампл.

Представляется целесообразным для емкостных нагрузок использовать реле не только с включением, но и выключением в фазе сетевого напряжения, близкой к нулю. Такие реле могут быть реализованы на основе двухполярных реле постоянного тока.

Следует отдельно остановиться на особенностях применения реверсивных реле. Структура их силовой части и варианты включения нагрузок представлены на рисунках 1.6 -1.8.

Схемотехника управления тиристорами реверсивных реле исключает  возможность одновременного включения элементов VS1 и VS2 в структуре рисунка 1.7 или VS1 и VS3, VS2 и VS4 в структуре рисунка 1.8. Однако при "мгновенном»" реверсе, поскольку выключение тиристора происходит при «нуле» тока, эти пары могут оказаться во включенном состоянии одновременно. В случае рисунка 1.6 это приведет к разряду сдвигового конденсатора С через тиристоры, в случае рисунка 1.7 и рисунка 1.8 – к межфазному замыканию.

 

Рисунок 1.6 – Реверсирование однофазного  двигателя со сдвигом фаз на конденсаторе

Рисунок 1.7 – Резервирование питания нагрузки

 

Для исключения такой  ситуации в реверсивные реле вводится аппаратная задержка включения каналов до 30 мс, так что при реверсе включенные каналы успевают выключиться до включения альтернативных. Однако есть другие причины, приводящие к одновременному включению этих пар тиристоров:

- при подаче фазных напряжений на реле скачок межфазных напряжений на силовых входах реле может иметь скорость нарастания напряжения выше критической для двух последовательно включенных тиристоров, причем демпферные RS-CS – цепи практически не снижают dU/dt;

 

 

Рисунок 1.8 – Структура и подключение двухфазного (пунктир) и трехфазного реверсивного реле

 

- импульсные помехи  в силовой цепи имеют высокие dU/dt;

- высокие значения dU/dt коммутационных скачков напряжения.

Для снижения вероятности  межфазного замыкания в результате первой из перечисленных причин в схемы рисунка 1.7 и рисунка 1.8 включены реакторы L, которые во взаимодействии с CS демпферных цепей снижают dU/dt. Оценку влияния индуктивности можно произвести из выражений:

	(1.6)
	(1.7)

Общепринятым методом защиты тиристоров от выхода из строя является установка токоограничивающих резисторов R, как показано на рисунках 1.7 и 1.8. Суммарное сопротивление этих резисторов должно обеспечить значение амплитуды тока межфазного замыкания ниже допустимого ударного тока используемого реле.

 

2. Реле постоянного тока

 

Реле постоянного тока на IGBT и МОП-транзисторах могут быть однополярными и двухполярными. Последние получаются встречно-последовательным соединением двух выходных транзисторов.

Остаточное напряжение на выходе однополярных реле в открытом состоянии на МОП-транзисторах определяется сопротивлением канала транзистора, при повышении температуры транзистора сопротивление канала увеличивается. Для двухполярных реле на МОП-транзисторах остаточное напряжение складывается из падения напряжения на сопротивлении канала одного транзистора и напряжения прямосмещенного диода, зашунтированного сопротивлением канала второго транзистора.

Оценку зависимости  остаточного напряжения на выходе двухполярного  реле от тока проведем, исходя из линейной модели ВАХ диода для Ud > Uo:

Ud = Uo + Rd · Id,

(1.8)

где Rd – дифференциальное сопротивление диода, для мощных транзисторов составляющее величину порядка единиц - десятков мОм. Проведя выкладки, получим при I ≤ 2Uo/Roc:

,

(1.9)

при I > 2Uo/Roc:

(1.10)

где Roc - суммарное сопротивление каналов выходных транзисторов (выходное сопротивление реле в открытом состоянии).

Для низковольтных (десятки  вольт) транзисторов величины  Roc и Rd одного порядка, полагая, например, Roc = Rd, получим при I ≤ 2Uo/Roc:

(1.11)

при I > 2Uo/Roc:

(1.12)

Для высоковольтных (сотни  вольт) транзисторов Roc >> Rd, отсюда для токов I > 2Uo/Roc имеем:

(1.13)

Таким образом, ВАХ выхода двухполярных реле на МОП-транзисторах во включенном состоянии до токов ± 2Uo/Roc практически линейна, затем постепенно переходит в ВАХ диода.

Дальнейшую классификацию  реле постоянного тока можно провести по задержкам включения/выключения реле.

В твердотельных реле в качестве элемента управления затворами  транзисторов используются фотовольтаические оптроны с выходным током порядка единиц микроампер. Поэтому "накачка" затворов производится достаточно медленно, что обуславливает большие задержки включения реле (десятки миллисекунд). Задержки выключения для этих реле значительно меньше (£1 мс), поскольку используемые фотовольтаические оптроны имеют встроенную тиристорную схему разряда.

Другая группа реле –  быстродействующие – имеют задержки включения/выключения единицы микросекунд, дополнительный вывод внешнего питания и, в свою очередь, делятся на реле с питанием, гальванически связанным с выходом, и с питанием по входу.

Твердотельные реле с  питанием по выходу могут работать на частоте коммутации в десятки кГц, однако, требуют использования изолированного от цепей управления источника напряжения (10 ¸ 15 В).

Твердотельные реле с  питанием по входу при задержках  включения/выключения единицы микросекунд могут обеспечить частоту коммутации нагрузки не выше 10 ¸ 20 Гц, поскольку используемые в них в качестве встроенного источника вторичного питания фотовольтаические оптроны не могут достаточно быстро восполнить энергию заряда затворов, потерянную при выключении реле.

Следует подробнее остановиться на вопросах защиты реле постоянного  тока от перенапряжений. Хотя IGBT и МОП-транзисторы могут работать в режиме лавинного пробоя, однако, допустимая энергия лавинного пробоя относительно невелика (десятки-сотни мДж), поэтому возможность выхода из строя из-за перенапряжения достаточно реальна. Отсюда следует необходимость защиты.

На двухполярные реле при работе на переменном напряжении распространимо все, что сказано выше о защите от перенапряжений тиристорных реле.

Защита однополярных реле от случайных перенапряжений в силовой цепи может производиться шунтированием выхода стабилитроном или варистором.

Отдельно рассмотрим вопрос о защите однополярных реле от перенапряжений, возникающих при отключении индуктивной нагрузки. Распространенной рекомендацией в этом случае является шунтирование индуктивной нагрузки обратно включенным диодом.

При мгновенном выключении выходного транзистора процесс  отключения нагрузки описывается уравнением:

(1.14)

где L и r – индуктивность  и активное сопротивление нагрузки,

i – ток в нагрузке,

Ud – прямое напряжение  на открытом диоде.

Полагая Ud = const, Iо –  ток в нагрузке в момент выключения, получим:

(1.15)

Данное выражение корректно  на интервале от   t = 0 до t0, при котором   i(t0)r = Ud.

Таким образом, выключение нагрузки происходит с постоянной времени L/r, а энергия L·Io²/2, запасенная в индуктивности нагрузки рассеивается на диоде и активном сопротивлении нагрузки: