CC BY
27
УДК 621.316.92
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТА ПРЕРЫВАТЕЛЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА1
Р. Л. Фоос, Н. В. Штабель
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: X-TRE@yandex.ru
На примере системы электропитания космического аппарата рассматривается работа прерывателя тока короткого замыкания и исследуется его быстродействие.
Ключевые слова: прерыватель тока, короткое замыкание, постоянный ток.
EXPERIMENTAL STUDY OF SHORT CIRCUIT BREAKER FOR DC NETWORKS
R. L. Foos, N. V. Shtabel
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: X-TRE@yandex.ru
In an article on the example of the spacecraft power system is considered the work of the short-circuit current breaker and studied on its performance
Keywords: breaker, short circuit, DC.
В промышленных системах, использующих сети питания постоянного тока существует проблема замыкания токоведущих шин на корпус из-за неверного монтажа, нарушения сопротивления изоляции или сбоев в работе оборудования, поэтому предпринимаются меры по минимизации или исключения ущерба от такого воздействия. Случай, когда одна из шин связана с корпусом устройства или шиной заземления представляет собой потенциальную угрозу. Протекание токов утечки может повлечь за собой выход устройства из строя либо травму человека.
Прерыватель тока короткого замыкания (ПТКЗ) предназначен для защиты сетей, в которых одна из токоведущих шин связана с корпусом, от возникновения тока короткого замыкания и отключения токоведущей шины от шины заземления.
На рис. 1 показана структура испытательного стенда для систем электропитания космического аппарата (СЭП КА), основным рабочим режимом которой является режим с шиной «минус» сети питания, соединенной с корпусом [1]. На структуре испытательного стенда показаны: ИБС1, ИБС2 -имитатор солнечной батареи (два канала), Н1, Н2 - имитатор нагрузки, ПТКЗ - прерыватель тока короткого замыкания, СЭП - система энергопитания КА.
Помимо основной функции защиты от замыкания любой из шин стенда испытаний СЭП на корпус, ПТКЗ выполняет также функцию переключения режимов работы СЭП [1].
Структура ПТКЗ показана на рис. 2. ПТКЗ включает в себя: датчик тока (ДТ), микроконтроллер (МК), ключ (К), источник питания (ИП), блок индикации сигнализации (БИС). К одной клемме ПТКЗ подключается шина заземления, к другой - шина «минус».
Протекающий через ПТКЗ ток измеряется датчиком тока, сигнал с которого поступает в микроконтроллер. Если значение тока превышает допустимое (заданное), то микроконтроллер подаёт
1 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082). Уникальный идентификатор №МБР!57714Х0082.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
сигнал на размыкание ключа, отключает нагрузку от сети питания и сигнализирует об этом на индикаторе БИС. Уставка тока срабатывания и информация о состоянии ПТКЗ задаются с ПК.
Рис. 1. Структура испытательного стенда СЭП КА с ПТКЗ
Рис. 2. Схема ПТКЗ
Для ограничения тока короткого замыкания, а также скорости его нарастания, в ПТКЗ введены резистор R номиналом 1 Ом и катушка индуктивности L = 5 мкГн. Это позволяет ограничить ток на уровне 100 А при напряжении сети 100 В.
В случае возникновения КЗ плюсовой шины на корпус протекающие токи могут нанести необратимые повреждения оборудованию СЭП КА или полезной нагрузке КА. Поэтому очень важно обеспечить как можно более быстрое размыкание цепи протекания тока КЗ. В связи с этим к ПТКЗ предъявляются следующие требования:
• Время срабатывания: 20 мкс;
• Диапазон установки тока срабатывания: 2.. .10 А.
Авторами был разработан макет ПТКЗ, содержащий быстродействующий ключ на полевых транзисторах с применением отладочной платы на микроконтроллере Cypress CY8C5888 [2; 3].
Для проверки быстродействия ПТКЗ на макете были проведены эксперименты, имитирующие возникновение тока КЗ. Схема эксперимента показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема эксперимента по исследованию быстродействия ПТКЗ
На схеме показаны: ИП - источник питания 0-200В, ИП24 - служебный источник питания +24В, ОСЦ - осциллограф, ДТ - датчик тока Я = 1,5 Ом, К1 - ключ.
В процессе эксперимента ключ замыкается, создавая ток КЗ, осциллографом по сигналу с рези-стивного датчика тока ДТ фиксируется время с момента превышения тока уставки, до момента срабатывания ПТКЗ. В ПТКЗ была задана уставка срабатывания по току I = 3 А. Осциллограммы быстродействия ПТКЗ для больших и малых токов приведены на рис. 4.
Рис. 4. а - быстродействие на малых токах. иип = 20 В, 1макс = 6.66 А, Ядт = 3Ом, Тпр = 7.5 мкс; б - быстродействие на больших токах. иип = 200 В, 1макс = 66 А,
Ядт = 1.5 Ом, Тпр = 7.5 мкс
Как видно из рис. 4 и рис. 5, ПТКЗ производит отключение системы. При этом время срабатывания не превышает допустимое значение в 20 мкс.
Библиографические ссылки
1. Способ автоматического контроля сопротивления изоляции шин источников постоянного тока на корпус: пат 2391679 Р Ф. МПК51001Я31/02/ заявитель и патентообладатель ОАО «ИСС» (RU) № 2009103681/28; заяв: 04.02.2009; опубл.: 10.06.2010.
2. Cypress [Электронный ресурс] URL: http://www.cypress.com/part/cy8c5888lti-lp097 (дата обращения: 7.4.2016).
3. Cypress [Электронный ресурс] URL: http://www.cypress.com/documentation/development-kitsboards/cy8ckit-050-psoc-5lp-development-kit (дата обращения: 7.4.2016).
© Фоос Р. Л., Штабель Н. В., 2016
