Попередження іскроутворення і вибухів від статичної електрики

Крім електроустаткування, заземленню підлягають основне металеве технологічне устаткування і всілякі комунікації, у яких відбуваються удари, роздроблення, пересипання і тертя твердих однорідних і неоднорідних діелектриків по металевих поверхнях, ізольованих від землі, що викликає їх помітну електризацію з установленням різниці потенціалів стосовно землі в декілька десятків кіловольтів. У результаті цього може відбутися іскровий розряд між частинами устаткування або на землю, що при наявності легко займистих парів горючих рідин, газів і пилових часток горючих речовин часто є причиною руйнівних вибухів, пожеж і небезпечних травм.

Усе технологічне та транспортне устаткування, де можуть накопичуватись заряди статичної електрики, повинно бути заземлене та являти собою єдине на всьому протязі електричне коло, приєднане не ближче, ніж через 25 м до заземляючого пристрою.

Транспортування сипучих і пилоподібних речовин, рідких діелектриків і забруднених газів по металевих трубопроводах завжди супроводжується генеруванням електростатичних зарядів високого потенціалу, що вимагає відповідного заземлення труб. Розбризкування нафтопродуктів і вуглеводневих з'єднань на естакадах приводить до електризації цистерн і вимагає приєднання їх гнучкими мідними проводами перерізом не менше 6 мм² до мережі заземлення із забезпеченням надійного контакту для уникнення вибухів і пожеж від статичної електрики.

На розмельних системах електричні потенціали досягають десятків кіловольт, що при незаземлених вальцьових верстатах може викликати іскровий розряд, який при наявності суміші виробничого пилу з повітрям приведе до великого вибуху і пожежі. Виробничий пил у суміші з повітрям при визначеній концентрації легко спалахує навіть при незначній іскрі або відкритому полум'ї, що також призводить до вибухів. Пил є генератором статичної електрики і може самозапалитися, якщо на підприємстві не забезпечена відповідна аспірація виробничих приміщень.

Ткані рукави пилоочисних фільтрів прошивають мідним тросиком, сполученим з заземляючою системою. Зовнішня поверхня скляних трубопроводів повинна металізуватись, фарбуватись електропровідними фарбами або обмотуватися мідним дротом та забезпечувати електричний контакт між електропровідним шаром та заземленою металевою арматурою.

Потужними джерелами утворення статичної електрики є клинові пасові передачі. Усі частини такої установки повинні бути виконанні з електропровідних матеріалів, а шківи та всі металеві предмети, що знаходяться поблизу паса, повинні бути заземлені.

Для нейтралізації зарядів статичної електрики у технологічних приміщеннях підтримують вологість повітря понад 70%, а також застосовують радіоактивні, індукційні іонізатори, ультрафіолетове проміння та ін.

Мережа заземлення повинна бути виконана механічно міцною – сталевим проводом діаметром 5 мм, з'єднання якого між собою і приєднання його до заземляючих об'єктів повинні бути виконані зварюванням.

Опір заземляючого пристрою у розглянутому випадку не повинен перевищувати 100 Ом, тобто він перевищує опір заземляючого пристрою, застосовуваного для захисту електроустаткування, який можна використовувати для одночасного захисту і від статичної електрики.

ЕЛЕКТРОНІКА

РОБОТА 1

Керований випрямляч

Мета роботи

1. Ознайомитися з будовою тиристора і його властивостями.

2. Вивчити однофазну однонапівперіодну схему керованого випрямляча.

3. Дослідити роботу однофазного випрямляча на активне навантаження і побудувати його характеристики у функції струму навантаження.

Основні теоретичні положення

К еровані випрямлячі з тиристором — статичні апарати для перетворення змінної напруги в напругу постійного напрямку із широко регульованої середньої випрямленої напруги.

а б

Рис. 1.1. Діодний тиристор:

а – умовна позначка;

б – структура.

Основною частиною таких випрямлячів є тиристори - напівпровідникові безконтактні перемикаючі прилади з трьома р-п переходами і двома сталими станами – зачинені або відчинені. Їх дія заснована на зміні внутрішнього опору чотирьохшарової р-п-р-п структури. Вони бувають двох-, три-, чотириелектродними, керованими і некерованими, а по полярності ввімкнення - симетричними і несиметричними.

Диністор або діодний тиристор являє собою некерований напівпровідниковий прилад із трьома р-n переходами, у якого крайні шари р- і n-типу мають виводи - анод А и катод К, відповідно (рис. 1.1). Диністор можна розглядати як послідовне включення трьох діодів (рис. 1.1,б). При прямому вмиканні диністора, напруга U_A зміщає р-п переходи П₁ і П₃ у прямому напрямку, а перехід П₂ - у зворотному. Диністор знаходиться в закритому стані і вся напруга U_A прикла­даєть­ся до переходу П₂, що відповідає ділянці ОА ампер-вольтної характеристики (рис. 1.2). Збільшення напруги U_A до напруги вмикання диністора U_вм супроводжується лавинним ростом носіїв заряду через перехід П₂ – струмом вмикання І_вм та різким зниженням його опору (ділянка АВ). Диністор вмикається, й у його колі виникає струм утримання (ділянка ВС), обмежений опором навантаження.

Рис. 1.2. Ампер-вольтна характеристика діодного тиристора.

При вмиканні диністора на зворотну напругу U_зв переходи П₁ і П₃ закриваються, а перехід П₂ відкривається. Струм через прилад визначається зворотним струмом I_зв << І_вм. При подальшому росту напруги, коли настає лавинний пробій переходів П₁ і П₃ і диністор виходить з ладу. Диністор можна вимкнути зменшенням прямого струму I_А до рівня, меншого струму утримання I_у, вимикання напруги живлення U_A або зміною її полярності.

а б

Рис. 1.3. Симістор:

а - умовна позначка;

б - схема заміщення.

Симістор або симетричний діодний тиристор (рис.1.3, а) з п’ятишаровою структурою характеризується ампер-вольтною характеристикою, у якої зворотні і прямі вітки збігаються, що досягається завдяки зустрічно-рівнобіжному вмиканню двох диністорів. При зміні полярності напруги U_A відчиняється ліва половина симістора або права (рис. 1.3, б).

Тиристори або тріодні тиристори є керованими, перемикаючими елементами з чотирьохшаровою структурою, що має три виводи: два від крайніх областей - анод А і катод К, третій - електрод керування ЕК від однієї із середніх областей р- або п‑типу, що відповідає керуванню по катоду або аноду (рис. 1.4). При відсутності сигналу керування I_к = 0 на електроді керування робота тиристора і його ампер-вольтна характеристика при напрузі вмикання U_вм аналогічні роботі диністора. Електрод керування ЕК приєднують до стороннього джерела напруги позитивної полярності щодо катода, яка створює струм керування I_к та збільшує концентрацію електронів у p-області (рис. 1.4). Це приводить до зниження напруженості поля на переході П₂ і вмиканню його при меншій напрузі вмикання U_вм (рис. 1.5). Таким чином, регулюючи струм керування I_к, вдається змінювати напругу момента вмикання тиристора.

а б

Рис. 1.4. Структури й умовна позначка тиристорів з керуванням: а - по аноду; б - по катоду.

Рис. 1.5. Ампер-вольтна характеристика тріодного тиристора.

Для вимикання тиристора необхідно струм тиристора I_А знизити менше струму утримання I_ут, вимкнути напругу або ввімкнути тиристор на зворотну напругу. Існують також тиристори, що вимикаються струмом керування.

Рис. 1.6. Схема керованого однофазного випрямляча з тиристором.

Рис. 1.7. Часові діаграми напруг: а — що випрямляється; б — керуючої; в — випрямленої.

Ключові властивості тиристора використовують у керованих випрямлячах (рис. 1.6), де тиристор VS періодично вмикається і вимикається, що забезпечує регулювання середньої випрямленої напруги U₀.

У керованих однофазних випрямлячах, зібраних по однопівперіодной схемі випрямлення, середня випрямлена напруга зв'язана з діючою напругою U так

,

де  — кут вмикання тиристора, обумовлений моментом подачі відповідної керуючої напруги U_к на керуючий електрод тиристора.

Найбільша середня випрямлена напруга

відповідає куту вмикання тиристора  = 0.

Керування випрямлячем зводиться до встановлення кута вмикання тиристора , що визначає момент приєднання навантаження R до змінної напруги u(ωt) (рис. 1.7, а). Кут вмикання регулюють зсувом керуючих імпульсів напруги u_к(ωt) (рис. 1.7, б) по осі часу відносно кривої напруги, яка випрямляється, що змінює час роботи тиристора на навантаження (рис. 1.7, а, в), і середню випрямлену напругу U₀. При активному навантаженні керованого випрямляча з тиристором крива струму цілком повторює криву випрямленої напруги.

Стійка робота тиристора можлива при формуванні імпульсів u_к необхідної амплітуди, достатньої тривалості і відповідної фази керуючим пристроєм з фазозсувним колом, що забезпечує зміну кута вмикання тиристора. Вимикання тиристора відбувається автоматично наприкінці кожного позитивного напівперіоду кривої змінної напруги, коли вона переходить до негативних значень напруги u(ωt).

Зовнішня характеристика випрямляча U₀(I₀) – залежність середньої випрямленої напруги від середнього струму навантаження з заданим коефіцієнтом потужності cos  і встановленому куті вмикання тиристора  та незмінної напруги на вході U = const.

Економічність роботи керованого однофазного випрямляча з тиристором визначають по його коефіцієнту потужності

та ККД

,

де U, I, Р₁ – діючі напруга, струм, активна потужність випрямляча з боку мережі змінного струму;

k_p — коефіцієнт, що враховує додаткову активну потужність на виході випрямляча, яка обумовлена вищими гармоніками переривчастого струму в залежності від схеми випрямлення. Так, для однопівперіодної схеми при куті вмикання  = 0 цей коефіцієнт буде

,

де U₀, I₀ — середні випрямлені напруга і струм.