4.2 Критерии оценки схем защиты от помех

Для устройств на постоянном и переменном токе существует большое число возможных вариантов схем защиты (смотри таблицы 4.2 и 4.4, рисунок 4.9 и 4.10).

Рис. 4.5 – Вольтамперные характеристики варистора из карбида кремния (а = 5) и из оксида цинка металлоксидный варистор, а = 30)

Рисунок 4.6 – Вольт – амперная характеристика в логарифмическом масштабе

Вопрос о возможности их применения в конкретных случаях решают с учетом следующих факторов (пере­числение без учета важности):

• время срабатывания;

• нагрузочная способность по импульсному току и способность к поглощению энергии;

• эффективность ограничения usmах и (dus /dt)max;

• вид напряжения на катушке us и тока возбуждения i после отключения (колебательный или апериодический);

• нагрузка выключателя по току при включении;

• стационарный ток потерь;

• влияние времени задержки защищаемого прибора;

• влияние надежности системы в целом;

• характеристика старения (дрейф параметров);

• характеристика поведения при аварии (КЗ или обрыв с вытекающими отсюда последствиями);

• степень сложности правильного определения параметров.

Подходящей должна считаться схема защиты, которая:

• имеет приемлемые экономические показатели;

• при экономном исполнении позволяет производить достаточное подавление перенапряжений по возможности непосредственно на катушке индуктивности;

• характеризуется очень малым временем срабатывания;

• по возможности не вызывает стационарных потерь энергии;

• не ухудшает общей надежности системы;

• по минимуму изменяет время срабатывания устройства, может рассчитываться по простым правилам.

4.3 Схемы защиты от помех для устройств постоянного тока

Таблица 4.2 дает обзор важнейших свойств схем защиты, которые могут применяться в приборах постоянного тока.

Таблица 4.2. Обзор свойств важнейших схем защиты приборов постоянного тока (читай далее табл. 6.2 как 4.2)

Далее остановимся на характеристиках некоторых защитных элементов.

Диоды. Самое радикальное подавление перенапряжений при отключении осуществляется чисто диодной схемой (таблица 4.2, 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 IF > 1,5 In. Время восстановления запирания tn должно быть меньше 100 нc, 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 - раз. Это свойство может успешно использоваться, когда, например, нужно перекрыть 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 RP (таблица 4.2, 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 Iv = Un/Rp в приемлемых грани­цах, не слишком малым. Оно выбирается в пределах Rр=(2...3) Rs 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 Rp включить диод (таблица 4.2, столбец 4). При включенной катушке в этом случае без учета обратного тока диода, который пренебрежимо мал, через Rp не протекает никако­го тока. Следовательно, источник напряжения дополнительно не нагружается, исключается дополнительное выделение тепла и Rp термически нагружается меньше. Выбор диода производится, как в столбце 2 таблица 4.2. Здесь также необходимо следить за правиль­ной полярностью.

Варисторы. Варисторы (таблица 4.2, столбец 5) являются сопро­тивлениями, зависящими от напряжения с симметричной, сильно нелинейной вольтамперной характеристикой (рисунок 4.5). Она опи­сывается уравнением

(4.2)

где - константа, а - показатель степени, характеризующий нелинейность вольтамперной характеристики. Значения лежат при обычных варисторах из карбида кремния в области от 3 до 5, а при металлоксидных варисторах на базе оксида цинка - в области от 20 до 30. Последние, вследствие того, что они имеют очень короткое время срабатывания (20—50 нc), очень хорошо подходят в качестве элементов ограничения перенапряжений. При отключении катушки они обеспе­чивают при сравнимых перенапряжениях меньшее время t0, чем описанные до этого варианты схем.

Выбор подходящего металлоксидного варистора осуществляет­ся с учетом следующих обстоятельств.

Во-первых, с учетом наибольшего рабочего напряжения варис­тора (рис. 4.5). Оно выбирается с учетом допуска ΔU_n положи­тельного отклонения рабочего напряжения прибора :

, (4.3)

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

- наи­большее переменное рабочее напряжение (эффективное значение наибольшего синусоидального напряжения 50 или 60 Гц, которое может быть длительно прило­жено к варистору).

Во-вторых, необходимо учитывать максимально допустимую мощность потерь варистора . Она определяется согласно со­отношению

, (4.4)

где z - число отключений в единицу времени.

По согласно (4.3) и соответственно (4.4) первона­чально устанавливается тип варистора. Возникающее при отклю­чении перенапряжение можно простым способом получить из вольтамперной характеристики (рис. 4.5).

В- третьих, нужно убедиться, что максимально допустимый отводимый импульсный ток выбранного варистора не превышается, то есть обеспечивается выполнение условия

,

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

Номинальные отводимые металлоксидными варисторами токи (импульс 8/20 мкс) в зависимости от диаметра варистора и числа коммутаций приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 – Номинальный отводимый импульсный ток iin металлоксидных варисторов для различного числа m коммуникаций

Диаметр			Номинальный отводимый импульсный ток iin для различного числа коммутаций m
варис-		Uhd, В
			10°, А	102, А	104, А	106, А
5	95	125	200	50	20	10
7	95	125	500	125	50	25
10	95	125	500	125	50	25
10	95	125	1000	250	100	50
14	95	125	1000	250	75	25
14	95	125	2000	500	175	50
20	95	125	4000	1000	200	50
30	250	320	10000	2000	250	60

Таким образом, варистор диаметром 5 мм переносит в целом 10⁶ стандартных импульсов амплитудой 10 А. Для случая, когда длительность импульса > 20 мкс, допустимая амплитуда импульса уменьшается. Это предусматривается понижающим коэффициен­том RF, который может быть получен в зависимости от длитель­ности импульса т, рисунок 4.7. Например, для т = 5 мс при m = 10^б срабатываний получаем коэффициенты RF = 0,06. Для упомяну­того 5-мм варистора выполняется соотношение

. (4.5)

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

Величина т может быть оценена при помощи соотношения

, (4.6)

где - перенапряжение при отключении катушки, полученное с помощью рисунок 4.6. Уравнение (4.6) получается путем упрощения данного в таблице 4.2, столбец 4, соотношения для .

Z-диоды. Z-диоды (диоды Зенера) имеют асимметричную вольтамперную характеристику (рисунок 4.8, а)). Чтобы при включен­ном приборе через помехозащищающую цепь не протекал ток, включается встречно диод D (таблица 4.2, столбец 6). Величина требуемого Uz Z-диода (рисунок 4.8, а)) определяется по одной из пар величин: uSmax /Un; to/3Ts. Обычно она выбирается в показанных на рисунок 4.8, б) границах Uz = (1,5...2,5) Un. Как правило, Z-диод должен быть способен кратковременно проводить ток IП защища­емого прибора, т.е. выбран по

(4.7)

и должен быть выбран по рассеиваемой энергии.

. (4.8)

Определение параметров диода производится, как указано в столбце 1 таблицы 4.2.

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 величина Uz, ограничены, так что речь о них может быть только в небольших, управляемых полупроводниковыми схе­мами приборах, с низкими номинальными напряжениями, Un < (0,4...0,8) Uz. Лучшими свойствами в этом отношении обладают специально разработанные для отвода переходных перенапряже­ний ТAZ - диоды (переходные поглощающие стабилитроны).

RC - цепочки. Очень хорошими свойствами по ограничению пе­ренапряжений при отключении, снижению производных напря­жения, так же как для обеспечения малого времени срабатывания обладают соответствующим образом подобранные RС - цепочки. В простейшем случае они состоят из резистора и конденсатора , расположенные параллельно катушке индуктивности (таблица 4.2, столбец 6). При включении быстро (постоянная вре­мени заряда ) заряжается до номинального напряжения . После этого через цепь помехоподавления течет лишь ток утечки конденсатора, которым можно пренебречь.

RC - цепочка рассчитывается так, что в ней после отключения происходит затухающий колебательный разряд. Существуют сле­дующие правила расчета:

, (4.9)

причем, однако, нельзя переходить за нижнее граничное сопро­тивление Rp = Us/Ie.rul , чтобы при включении не произошло сва­ривания контактов выключателя и

. (4.10)

Цепь помехозащиты должна кратковременно проводить ток I_n, а конденсатор должен быть рассчитан на 2-3 - кратное номиналь­ное напряжение. Поскольку в процессе разряда меняется направ­ление тока, то используются, как правило, только металлобумажные конденсаторы.

RCD - цепочки. Еще одна помехозащитная комбинация, состоящая из последовательности диод - конденсатор - резистор, представлена в столбце 7 таблицы 4.2. Конденсатор после отключения обмотки возбуждения заряжается до момента . Смена направления тока через диод невозможна. разряжается через RЕ. Поскольку не возникает низкочастотных колебаний, этот вариант схемы специально подходит для выключателей. Устраняется повторное втягивание якоря. Основы расчета RСD-цепочки состоят в следующем.

Диод выбирается согласно таблице 4.2, столбец 2, емкость конденсатора рассчитывается по формуле

(4.11)

Напряжение на конденсаторе

; (4.12)

Сопротивление

, (4.13)

где - время паузы между двумя отключениями.

Рекомендации по применению. Если сравнить отдельные защит­ные схемы согласно данным в разделе 4.3 критериям оценки, можно дать следующие рекомендации:

• если замедление времени возврата не играет роли, удобна диодная схема (таблица 4.2, столбец 2);

• если время реакции защищаемого прибора должно по возможности не изменяться, преимущество имеют комбинации с металлоксидными варисторами (таблица 4.2, столбец 5) или RC-цепочки (таблица 4.2, столбцы 7 и 8);

• для небольших приборов пригодны Z-диоды или TAZ-диодные схемы (таблица 4.2, столбец 6);

• резисторы (таблица 4.2, столбец 3) не годятся в качестве защиты от помех.