Схемы защиты от помех для устройств постоянного тока

В табл. 10.8 приведен обзор важнейших свойств схем защиты, которые могут при­меняться в приборах постоянного тока.

В табл. 10.8 приняты следующие обоз­начения:

- действующее сопротивление, индуктивность, емкость и постоянная времени обмотки возбуждения;

- номинальные ток и напря­жение обмотки;

- допустимый ток включения выключателя;

- ток пропускания диода;

- ток потерь;

- максимально допустимый ток;

- металлооксидный варистор;

- максимально допустимая мощ­ность потерь;

- разрядное сопротивление;

- время запирания диода;

- номинальное напряжение кон­денсатора;

- наибольшее рабочее напряже­ние варистора (см. рис. 10.5);

- напряжение запирания диода;

- напряжение (см. рис. 10.42, а);

- число отключений за единицу вре­мени;

- постоянная варистора.

Далее остановимся на характеристиках некоторых защитных элементов.

Диоды. Самое радикальное подавление перенапряжений при отключении осущест­вляется чисто диодной схемой (см. табл. 10.8, столбец 2). Поскольку скорость включения диода существенно выше, чем у коммутационного устройства, на катушке при отключении не возникает перенапря­жений.

Напряжение запирания диода выбирается и ток . Время должно быть восстановления запирания, меньше 100 не, чтобы вибрационные про­цессы на контактах выключателя не разру­шили диод. При подключении нужно обра­щать внимание на правильную полярность. В приборах с якорем время срабатывания за счет схемы защиты не изменяется, тогда как время возврата по сравнению с прибо­ром без такой схемы увеличивается в 10 - 20 раз. Это свойство может успешно использоваться, когда, например, нужно прекратить перерывы напряжения в тече­ние нескольких миллисекунд. В целом дио­дные схемы при малых размерах и пренебрежимом токе потерь имеют очень хорошее помехозащитное действие. Они использу­ются, когда удлинение времени возврата прибора со схемой защиты не имеет нега­тивных последствий для функционирова­ния устройства в целом.

Резисторы. Параллельное с индуктив­ной обмоткой включение резистора сопро­тивлением (см. табл. 10.8, столбец 3) является лишь условно возможной схемой защиты. Для снижения перенапряжения при отключении оно должно быть не слиш­ком большим, с другой стороны, для огра­ничения длительности процесса отключе­ния и сохранения тока потерь в приемлемых границах, не слишком малым. Оно выбирается в пределах и рассчитывается по току потерь. Параллель­ные сопротивления используются в схемах обмоток двигателей. Для схем защиты от помех их нельзя рекомендовать к примене­нию.

Резисторы с диодами. Можно получить улучшенные свойства, если последова­тельно с включить диод (см. табл. 10.8, столбец 4). При включенной катушке в этом случае без учета обратного тока диода, кото­рый пренебрежимо мал, через не проте­кает никакого тока. Следовательно, источ­ник напряжения дополнительно не нагру­жается, исключается дополнительное выде­ление тепла и резистор термически нагружается меньше. Выбор диода производится, как показано в столбце 2 в табл. 10.8. Здесь также необходимо следить за пра­вильной полярностью.

Варисторы. Варисторы (см. табл. 10.8, столбец 5) являются сопротивлениями, зави­сящими от напряжения с симметричной, сильно нелинейной вольт-амперной харак­теристикой. Она описывается уравнением

,

где - константа; - показатель степени, характеризующий нелинейность вольт-амперной характеристики. При обычных варисторах из карбида кремния значения а лежат в области от 3 до 5, а при металлооксидных варисторах на базе оксида цинка - в области от 20 до 30. Последние вследствие того, что они имеют очень короткое время срабатывания (20-50 нс), очень хорошо подходят в качестве элемен­тов ограничения перенапряжений. При отк­лючении катушки они обеспечивают при сравнимых перенапряжениях мень­шее время , чем описанные до этого вари­анты схем.

Выбор подходящего металлооксидного варистора осуществляется с учетом следу­ющих обстоятельств:

с учетом наибольшего рабочего напряже­ния варистора . Оно выбирается с учетом допуска положительного отклонения номинального напряжения прибора :

, (10.3)

где - наибольшее рабочее напряже­ние (наивысшее длительно допустимое постоянное напряжение, которое может быть приложено к варистору); - номинальное напряжение варистора;

с учетом максимально допустимой мощности потерь варистора определяется согласно соотношению

, (10.4)

где - число отключении в единицу вре­мени.

По согласно (10.3) и соот­ветственно (10.4) первоначально устанав­ливается тип варистора. Возникающее при отключении перенапряжение можно прос­тым способом получить из вольт-амперной характеристики (рис. 10.40).

В-третьих, нужно убедиться, что макси­мально допустимый отводимый импуль­сный ток выбранного варистора не превы­шается, т.е. обеспечивается выполнение условия

, (10.5)

где - максимально допустимая амп­литуда стандартного импульса 8/20 мкс.

Номинальные отводимые металлооксидными варисторами токи (импульс 8/20 мкс) в зависимости от диаметра варис­тора и числа коммутаций приведены в табл. 10.9.

Рис. 10.40. Вольт-амперная характеристике варистора в логарифмическом масштабе

Таблица 10.9. Номинальный отводимый импульсный ток металлооксидных варисторов для различного числа коммутаций

Диаметр варистора, мм	, В	, В	Номинальный отводимый импульсный ток , А, для различного числа коммутаций
		10^4	10^6

Таким образом, варистор диаметром 5 мм переносит в целом 10⁶ стандартных импульсов амплитудой 10 А. Для случая, когда длительность импульса более 20 мкс, допустимая амплитуда импульса уменьша­ется. Этопредусматривается понижающим коэффициентом который может быть получен в зависимости от длительности импульса (рис. 10.41). Например, для мс при срабатываний полу­чаем коэффициент . Для упомяну­того варистора выполняется соотношение

,

Это означает, что выбранный варистор применим, когда номинальный ток , протекающий через варистор, меньше или равен 0,6 А. Если это не так, то должен быть выбран варистор с большей нагрузоч­ной способностью и диаметром.

Рис. 10.41. Коэффициент уменьшения для длительности импульса мкс

Величина может быть оценена при помощи соотношения

, (10.6)

где - перенапряжение при отключе­нии катушки (см. рис. 10.40). Уравнение (10.6) получается путем упрощения дан­ного в табл. 10.9, столбец 4 соотношения для

Z-диоды. -диоды (диоды Зенера) имеют асимметричную вольт-амперную характе­ристику (рис. 10.42, а). Чтобы при включен­ном приборе через помехозащищающую цепь не протекало тока, включается встречно диод D (см. табл. 10.8, столбец 6). Требуемое значение - диода (рис. 10,42, а) опреде­ляется по одной из пар величин: ; . Обычно она выбирается в пределах (рис. 10.42, б). Как пра­вило, - диод должен быть способен кратков­ременно проводить ток защищаемого прибора, т.е.

(10.7)

и должен быть выбран по рассеиваемой энергии

(10.8)

а) б)

Рис. 10.42. Характеристики - диодов

а – вольт-амперная характеристика; б - согласно табл. 10.8, столбец 6

Определение параметров диода произ­водится, как указано в столбце 2 табл. 10.8.

Z -диоды, хотя и имеют малое время сра­батывания и обеспечивают эффективное ограничение перенапряжений при отключе­нии, являются сравнительно дорогими. Их нагрузочная способность по импульсному току и возможность поглощения энергии, так же как и , ограничены, так что они могут использоваться только в небольших, управляемых полупроводниковыми схе­мами приборах, с низкими номинальными напряжениями . Луч­шими свойствами в этом отношении обла­дают специально разработанные для отвода переходных перенапряжений -диоды (переходные поглощающие стабилитроны).

RC-цепочки. Очень хорошими свой­ствами по ограничению перенапряжений при отключении, снижению производных напряжения, так же как и по обеспечению малого времени срабатывания обладают соответствующим образом подобранные -цепочки. В простейшем случае они сос­тоят из резистора и конденсатора , расположенных параллельно катушке индуктивности (см, табл. 10.8, столбец 7). При включении быстро (постоянная времени заряда ) заряжается до номинального напряжения . После этого через цепь помехоподавления течет лишь ток утечки конденсатора, которым можно пренебречь.

-цепочка рассчитывается так, что в ней после отключения происходит затуха­ющий колебательный разряд:

, (10.9)

причем нельзя переходить за нижнее гра­ничное сопротивление , чтобы при включении не произошло сваривания контактов выключателя:

, (10.10)

Цепь помехозащиты должна кратковре­менно проводить ток , а конденсатор должен быть рассчитан на двух-трехкратное номинальное напряжение. Поскольку в процессе разряда меняется направление тока, то используются, как правило, только металлобумажные конденсаторы.

RCD-цепочки. Еще одна помехозащит­ная комбинация (рис. 10.43), состоящая из последовательности диод — конденсатор — резистор, представлена в табл. 10.8, стол­бец 8. Конденсатор после отключения обмотки возбуждения заряжается до момента . Смена направления тока через диод невозможна; разряжается через . Поскольку не возникает низкочастотных колебаний, этот вариант схемы специально подходит для выключателей.

а) б)

Рис. 10.43. - схемы со вспомогательным выпрямителем:

а – с разрядным резистором; б – с варистором в качестве разрядного сопротивления

Устраняется повторное втягивание якоря. Основы рас­чета RCD -цепочки состоят в следующем.

Диод выбирается согласно табл. 10.8, столбец 8, емкость конденсатора рассчиты­вается по формуле

. (10.11)

Напряжение на конденсаторе

. (10.12)

Сопротивление

, (10.13)

где - время паузы между двумя отклю­чениями.

Если сравнить отдельные защитные схемы согласно данным в п. 10.8.3 крите­риям оценки, можно дать следующие реко­мендации:

· если замедление времени возврата не играет роли, удобна диодная схема (см. табл. 10.8, столбец 2);

· если время реакции защищаемого прибора по возможности не должно изме­няться, преимущество имеют комбинации с металлооксидными варисторами (см. табл. 10.8, столбец 5) или RC-цепочки (см. табл. 10.8, столбцы 7 и 8); для небольших приборов пригодны Z -диоды или - диодные схемы (см. табл. 10.8, столбец 6);

· резисторы (см. табл. 10.8, столбец 3) не годятся в качестве защиты от помех.

Дата добавления: 2014-01-06