Отечественным твердотельным реле - быть! Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

е

Компоненты и технологии, № 4'2004

Окончание. Начало в № 3'2004

Отечественным

твердотельным реле - быть!

Сергей Волошин

[email protected]

Система параметров реле

Основные характеристики реле:

1. Номинальная величина тока (среднеквадратичное значение) — определяется предельно допустимой температурой р-п-перехода тиристора, температурой окружающей среды, тепловым сопротивлением между р-п-переходом и радиатором. В таблице основных параметров и условном обозначении реле приводится максимальная ве-

Таблица 1. Тепловые свойства охладителей

Тип

охлади-

теля

Габаритный чертеж

График переходного теплового импеданса «контактная поверхность охладителя — окружающая среда» ^охл-ср) при скорости охлаждающего воздуха Vвоз: 0 м/с — (1), 3 м/с — (2), 6 м/с — (3), 12 м/с — (4)

личина этого тока, рассчитанная из условия предельно допустимой температуры р-п-перехода 125 °С и температуры окружающей среды 40 °С. Эта величина тока может быть обеспечена только при применении внешнего охладителя с соответствующим тепловым сопротивлением, которое можно рассчитать следующим образом:

л л АТ

©1 + ©2 + ©з + -у тт

1макс ^ кз

®1 — тепловое сопротивление «р-п-переход — радиатор», выбирается из таблицы параметров реле;

®2 — тепловое сопротивление «охладитель — среда», выбирается из параметров охладителя с учетом условий охлаждения (конвекция или обдув);

®3 — тепловое сопротивление «радиатор — охладитель», должно быть пренебрежимо мало по сравнению с ®1 и ®2, что обеспечивается при применении охладителей со специально подготовленной поверхностью, поставляемых ООО «Электрум АВ»;

ДТ — разница температур между предельно допустимой температурой р-п-перехода и температурой окружающей среды у поверхности охладителя. При нормальных климатических условиях (25 °С) эта температура принимается равной 40 °С для конвекционного теплообмена;

1макс — максимальная величина тока через реле; икэ — максимальное падение напряжения на р-п-переходе тиристора при пропускании тока 1макс.

Тепловые свойства охладителей, поставляемых ООО «Электрум АВ», приведены в таблице 1. Охладители Охл175, Охл253 и Охл153 предназначены для отвода тепла, выделяемого в охлаждающую среду силовыми полупроводниковыми приборами: твердотельными реле и силовыми модулями в корпусах В и Д. Теплоотводы охладителя изготавливаются из алюминиевых прессованных профилей сплава АД31 ГОСТ 4784-74. Теплоотводы не требуют дополнительного защитного покрытия при эксплуатации в различных климатических зонах. Таблица 2. Условия эксплуатации охладителей

Предельно допустимые Предельно допустимые

климатические воздействия механические воздействия

Температура окружающей среды от -60 до +85 °С при воздушном охлаждении.

Относительная влажность воздуха до 98% при 35 °С и при более низких температурах с конденсацией влаги.

Атмосферное давление (8,66-10,66) 104 Па.

Смена температур от -60 до +125 °С.

Охладители по стойкости к воздействию механических нагрузок соответствуют группе М27 условий эксплуатации (ГОСТ 17516.1-90) и выдерживают одиночные удары с длительностью импульса 50 мс и ускорением 39,2 м/с2.

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

Таблица 3. Пример расчета реле (с номинальным током 100 А)

©1 + 02-! Д1и .макс ^кэ 0 = 0 2 Т х ТТ 1 Амакс ^кэ

Імакс = 100 А икэ = 1,5 В АТ = 125 - 40 = 85 °С ос = 100 x1,5 °>3 - 0,26 °С/Вт

2. Предельно допустимое напряжение на силовом тиристоре.

ООО «Электрум АВ» выпускает реле с предельно допустимым напряжением 1200 В, что позволяет обеспечить надежную работу в любых сетях (220, 380 В) при любом характере нагрузки с учетом возможных выбросов напряжения и перенапряжений в ней. Так, для сети 380 В среднеквадратичное значение напряжения составляет 560 В. С учетом возможных бросков напряжения на индуктивной нагрузке или суммирования напряжений на емкостной эта величина может достигать 900-1000 В. Для предотвращения возможности повреждения реле при таких бросках, которые могут как возникать на коммутируемой нагрузке, так и быть следствием работы других электрических нагрузок, подключенных к этой же сети, параллельно силовым контактам реле необходимо устанавливать специальный защитный элемент — вариатор. Этот элемент является нелинейным резистором, характеризующимся так называемым классификационным напряжением, то есть напряжением, выше которого он становится проводимым.

В общем случае при выборе варистора следует пользоваться соотношением

1,1 "^ср.кв сети < UR3 < Uмакс

150 В

Однако для правильного подбора варистора необходимо учитывать его предельно допустимую энергию, коэффициент крутизны, изменение икл в пределах икл1 4 икл2 под воздействием выделяемой в нем энергии. В связи с этим ООО «Электрум АВ» рекомендует использовать выпускаемые им специальные защитные устройства, представляющие собой специально подобранный для каждого типа реле вариатор, установленный на печатную плату, которая монтируется на силовых контактах реле с помощью тех же винтов, что и силовые кабели.

3. Способ управления реле.

Реле может управляться в зависимости от исполнения либо постоянным (3-30 В), либо переменным (6-30 или 90-280 В) напряжением.

4. Способ коммутации нагрузки с контролем

перехода фазы через ноль или без него.

Эти основные параметры заложены в условное обозначение реле. Так, обозначение М08 А - 120 - 12 означает: однофазное реле переменного тока без контроля фазы сети с управлением постоянным напряжением 3-30 В с коммутируемым током 120 А и предельно допустимым напряжением 1200 В. Обозначение М026М В - 60 - 12 читается как: трехфазное реле переменного тока с контролем фазы сети с управлением переменным напряжением 90-280 В, с коммутируемым током по одной фазе 60 А и предельно допустимым напряжением 1200 В.

Трехфазные реле фактически являются объединением в одном корпусе трех однофазных реле с общим управлением и могут коммутировать как обычную трехфазную сеть с общей нагрузкой, так и три независимых нагрузки, включенных каждая по своей фазе, обеспечивая пропускание по каждой их них номинального тока.

Остановимся теперь подробно на каждом из параметров, характеризующих реле:

1. Диапазон коммутируемых напряжений

(среднеквадратичное значение).

Эта величина характеризуется минимальным и максимальным значением. Максимальная величина определяется предельно допустимым значением напряжения силового элемента реле. Так, для приборов с элементами на 1200 В максимальное коммутируемое напряжение составляет 560 В. Минимальная величина определяется двухкаскадным построением выходного каскада реле. При такой структуре при малых значениях коммутируемого напряжения весь ток течет через маломощный предварительный каскад, что приводит к его повреждению. Для реле переменного тока, выпускаемых ООО «Электрум АВ», минимальное коммутируемое напряжение составляет 50 В. При коммутации напряжения в допустимом диапазоне в реле происходят следующие процессы. При наличии управляющего сигнала реле в управляющий электрод тиристора течет фототок, достаточный для отпирания тиристора. При изменении коммутируемого напряжения от нуля в положительную или отрицательную сторону начинает увеличиваться ток на соответствующем тиристоре предварительного каскада до достижения им величины, достаточной для отпирания соответствующего мощного выходного тиристора, который при этом шунтирует маломощный тиристор, и весь ток в дальнейшем идет через мощный тиристор. Весь этот процесс длится около 20 мкс, а уровни токов в предварительном каскаде не превышают 100 мА, что соответствует его конструктивным запасам.

2. Диапазон коммутируемых токов.

Величина минимального коммутируемого

тока (среднеквадратичное значение) обусловлена теми же факторами, что и минимального коммутируемого напряжения, и составляет 150 мА. Максимальная величина коммутируемого тока определяется размерами кристалла силового тиристора реле. Для каждого тока реле выходные тиристоры подбираются так, чтобы через силовой элемент реле можно было пропускать ток номинальной величины (при соответствующих условиях охлаждения). При этом кристаллы имеют запасы около 50%. Это позволяет использовать все реле на номинальном токе в течение всего установленного для них срока наработки. В этом их существенное пре-

имущество перед традиционными оптотиристорными модулями и оптотиристорами, для которых в ТУ рекомендуется не допускать токи выше % номинальной величины.

3. Максимальный импульсный ток. Эта важнейшая величина определяет допустимую токовую нагрузку в течение заданного времени. В паспортах на реле указывается предельная величина тока для времени 10 мс для сети 50 Гц и 16,6 мс — для сети 60 Гц, что соответствует половине периода. Характер нагрузок многих типов обуславливает при коммутации значительный начальный бросок тока (дроссели, двигатели, трансформаторы), поэтому для них этот параметр крайне важен. В настоящее время большинство маломощных реле (до 40 А) выпускается на симисторных структурах (реле COSMO, SHARP, HUNTER, Протон-импульс), которые в выходном каскаде имеют малые значения импульсного тока (около 5-6 номиналов). Реле, выпускаемые ООО «Электрум АВ», подобно реле ведущих зарубежных фирм (CRYDOM, Teledyne Relays), выпускаются с применением встречно-параллельно включенных тиристоров в выходном каскаде, что позволяет достичь очень больших значений импульсного тока (600 А для реле на 20 А, 1200 А для реле 120 А).

4. Защитный фактор I21. Этот показатель позволяет рассчитать максимально допустимую длительность тока любой величины, с тем чтобы подобрать соответствующее реле для нагрузок с большими длительностями перегрузок при пуске (двигатели) или подобрать соответствующий защитный предохранитель. Например, для 1ном реле этот показатель составляет [I21]ном, поэтому при нагрузке с номинальным током 1ном нагр перегрузка по току в n раз может иметь длительность, определяемую из соотношения

(n ^-ном.нагр.) X t "

[I2 t]b

Таким образом, зная реальную перегрузочную характеристику нагрузки, можно подобрать реле с соответствующим показателем I21, обеспечивающим необходимую длительность перегрузки.

5. Максимальное падение напряжения на коммутирующем элементе реле икэ макс. Эта величина определяется для номинального тока реле и позволяет определить мощность,

Рис. 21. Установка реле на охладителе О175

е

Компоненты и технологии, № 4'2004

С1 — конденсатор 0,01... 0,10 мкФ;

— модуль МРМ3;

И = 30 мкГн — для активной нагрузки (защита по ^/Ж);

— защитный варистор типа СН2-1, СН2-2;

1?2 — резистор 39 Ом 2 Вт;

1?3 <10 кОм (пунктир — вариант управления внешним резистором)

Рис. 22. Управление нагрузкой

01

выделенную силовым элементом реле при протекании тока Р = Икэ макс х I. Эта величина, как уже было сказано, является одним из основных факторов, определяющих тепловой режим реле.

6. Тепловое сопротивление «р-п-переход коммутирующего элемента — радиатор реле». Это еще один из параметров, необходимый для расчета теплового режима (см. выше).

7. Критическая скорость нарастания напряжения (Ш/^). Этот параметр характеризует устойчивость закрытого реле к изменениям напряжения, порождаемым помехами по сети или ее нелинейными искажениями. Тиристоры, используемые в реле ООО «Электрум АВ», имеют высокую степень устойчивости к этому фактору (до 1000 В/мкс). Фактор Ш/& для реле в целом при симисторном (встречно-параллельном) включении тиристоров составляет 500 В/мкс. Для надежного обеспечения этого параметра в конструкцию реле введена ИС-цепь, включенная параллельно силовым контактам реле. Параметры этой цепи таковы: И = 39 Ом/ГВт, С = 0,01 мкФ.

8. Ток утечки в закрытом состоянии. В наличии этого тока и состоит существенное отличие реле электронного от реле электромагнитного, особенно с герметизированными контактами. Собственный ток утечки одного тиристорного кристалла при приложении напряжения 1200 В (по нормам ООО «Электрум АВ») не превышает 100 мкА при 25 °С. Однако в сборе из двух тиристоров при крайних температурах (+80 °С, -60 °С) этот ток достигает 1 мА. Вклад в утечку вносит и встроенная ИС-цепь. Таким образом, общий ток утечки твердотельного реле может достигать 5 мА.

9. Напряжение запрета. Этот параметр характеризует только реле с контроллером «ну-

ля» фазы коммутируемого напряжения. Это напряжение характеризует диапазон, в котором такое реле может включиться при подаче сигнала управления. Если сигнал управления поступит в момент, когда фазное напряжение превысит напряжение запрета, то включение произойдет только в следующей полуволне.

10. Время включения и выключения реле. Как уже отмечалось выше, включение реле без контроля «нуля» фазы происходит за очень короткое время (около 20 мкс). Включение реле с контролем «нуля» фазы происходит также, но только при фазном напряжении, не превышающем напряжение запрета. Эта особенность реле с контролем «нуля» фазы обуславливает его применение в системах, где предъявляются высокие требования к уровню электромагнитных полей и качеству сетевого напряжения, так как коммутация нагрузок в моменты с большими значениями фазного напряжения приводит к возникновению большого количества высокочастотных гармоник в сети, а также порождает существенную электромагнитную помеху, что недопустимо во многих случаях (аппаратура связи, медицинская аппаратура и т. д.). Включение реле происходит при прекращении тока в нагрузке, а следовательно, и в тиристоре реле, и определяется только параметрами нагрузки.

11. Частота сети. В большинстве случаев предполагается, что реле будут применяться в сетях со стандартной частотой 50 Гц, однако тиристорные кристаллы, применяемые ООО «Электрум АВ», позволяют коммутировать сеть с частотой 400 Гц, а предельная величина частоты сети составляет 5 кГц, что часто бывает необходимым в специальной технике, рабо-

тающей от собственных генераторов с высокими рабочими частотами.

Таким образом, очевидно, что твердотельные реле могут быть использованы для коммутации нагрузок любых типов, как в однофазных, так и трехфазных цепях. Эти нагрузки могут иметь емкостной, индуктивный и резистивный характер, то есть с помощью таких реле можно управлять осветительными, нагревательными системами, производить коммутацию фаз электродвигателя (однофазного или трехфазного), управлять трансформаторами, дросселями и т. д.

Используя свойства реле без контроля «нуля» фазы включаться в любой момент, одновременно с подачей входного сигнала на базе твердотельных реле может быть легко создан дешевый регулятор мощности активных нагрузок. Вместо широко используемого для этого ШИМ-контроля, этот регулятор основан на изменении угла отсечки фазы и последующего изменения мощности нагрузки.

Характеристика управления

Твердотельные реле позволяют реализовать расширенные возможности по реверсивному управлению трехфазным асинхронным двигателем. Для такого управления необходимо перекрестно коммутировать две фазы из трех, а третья фаза может быть подключена постоянно. Но, отключая эту фазу, можно обеспечить надежную блокировку двигателя в ответственных применениях. Для этой цели в ООО «Электрум АВ» разработали модуль реверсивного управления пятью однофазными реле, обеспечивая полный алгоритм управления и блокировки 3-фазного реверсивного двигателя.

Принципы, заложенные в твердотельные реле, позволяют создать коммутатор нагру-

e

Компоненты и технологии, № 4'2004

Щ И 380 ОН |-nnn-0 Ф2 R12 L2 o-l |_пг»ч-о ФЗ

МО8 — модуль оптически управляемых тиристоров.

R4, R5, R6, R9, R10 — защитные варисторы типа СН2-1, СН2-2 (11кл = 560-620 В).

R1, R2, R3, R7, R8 — резисторы 22-39 Ом 2 Вт.

С1-С5 — емкости 0,05-0,22 мкФ.

R11, R12 — токоограничивающие резисторы. Выбираются в зависимости от ударного тока тиристоров модуля МО8. L1, L2 — защитные индуктивности 100-200 мкГн.

Рис. 23. Модуль реверсивного управления пятью однофазными реле

Таблица 4. Состояния устройства управления

«Блокировка» «Вперед» «Назад» I е СЧ I сч е со □с со е сч I со е со х сч е

ивх < 0,8 В * * Р Р Р Р Р

5 В <0,8 В З З З Р Р

«Обрыв» по входу или ивх=5 В <0,8 В 5 В З Р Р З З

5 В 5 В Р Р Р Р Р

0,8 В 0,8 В Р Р Р Р Р

зок до 5000 А. Для этого необходимо исполь- ры соответствующего уровня тока, разме-

зовать в качестве силового коммутирующего щенные на охладителях достаточной мощ-

элемента стандартные таблеточные тиристо- ности.

Примечания:

* — произвольное состояние;

Р — состояние «разомкнуто»;

З — состояние «замкнуто».

Управление тиристорами такой мощности требует формирования специальной токовой диаграммы. В начальный момент должен быть обеспечен крутой фронт тока в управляющем электроде мощного тиристора амплитудой до 10 А (длительность фронта — 1 мкс), затем спад тока 10-20 мкс до уровня удержания 1 А. До тех пор пока будет поддерживаться этот ток, силовой тиристор будет включен. В ООО «Электрум АВ» разработано и освоено специальное устройство ЯУТ (ячейка управления тиристором), которая является усилителем-формирователем токового сигнала с гальванически развязанным управлением. В своем составе оно содержит изолированный источник питания, формирующий опорные уровни напряжения, которые с помощью твердотельных реле постоянного тока подключаются к токовому стабилизатору, соединенному с управляющим электродом тиристора. Разрабатываются модификации такого прибора с высоковольтной оптоволоконной развязкой цепи управления и со специальными статусными выводами с гальванической развязкой, подтверждающими срабатывания реле при подаче управляющего сигнала, что весьма актуально при коммутации таких мощных нагрузок.

Таким образом, видно, что твердотельные реле являются эффективным средством решения многих проблем силовой электроники.