Полупроводниковое аналоговое реле времени. Эл. схема, принцип действия, время срабатывания и время возврата

Благодаря большому диапазону выдержек времени, высокой надежности, точности, ¯габаритов ПРВ находят все большое применение.

Принцип создания выдержек времени:

Аналоговый, основанный на п/п в RC – контуре

Для создания выдержки времени, используется заряд, разряд, перезаряд С до заданного порогового U, e_y.ср порогового элемента.

функциональная схема ПРЗ

Х_к – хронирующий контур, выполненный на базе зарядно-разрядной RC-цепи с постоянной времени,

t=RC и ключа S. ПЭ – пороговый элемент, выполняемый на ОУ без ОС или с ПОС

Применение ОУ дает более высокую удельную выдержку времени.

- выдержка времени на единицу емкости хронирующего контура, который является наиболее габаритным элементом реле, поэтому t_выд.уд является одним из основных параметров реле, характеризующих его качество. Чем ­ t_выд.уд тем более качественно реле, тем ¯ габариты.

А – выходной усилитель; К – катушка электрического магнита малогабаритного реле, предназначенного для усиления и размыкания выходного сигнала ПРВ.

Принцип действия: при установке S в положение 1 начинается выдержка времени в течение которой С зарядится по експонециальному закону Uc=Uп(1-e^t/t); t=RC при достижении Uос=Uоп происходит срабатывание® , при установке переключателя в пол-е 2 начинается разряд С по соотношению Uс=Uоп=Uп×e^-t/tв, происходит ПЭ в исходное состояние, . На рис. представлена эл. схема выполненная на выше рассмотренном принципе.

Пр. действия: при подаче Uпит на инвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение:

, Uст – выходное стабилизированное напряжение параметрического стабилизатора, выполненного на VD1 и R5.

На прямой вход подается Uc RC-цепи, выдержка времени начинается с момента установки S в положение-е 1.

При переключении ОУ, VT включается i_к скачком ­, реле включается.

Если S в положение 2 начинается выдержка времени на возврат С разряжается по разрядной цепи CR4 c tp=CR4

Т.о. t_ср и t_в не зависят от колебания Uп и регулируются изменением сопротивлений резисторов R1, R2, R3, R4, при этом изменяется либо постоянная времени, либо величина Uоп.

Диод VD1 обеспечивает надежное запирание VT; VD3 снижает перенапряжения возникающие при отключении реле.

22. Тиристорный коммутационный аппарат постоянного тока. Эл. схема, принцип действия, временные диаграммы .

В настоящее время наибольшее применение находят однооперационные тиристоры – это п/п приборы, которые управляются лишь при включении, поэтому при использовании их в цепях постоянного тока необходимо обеспечить их принудительное выключение.

Практическое применение – конденсаторные коммутирующие узлы (КУ). В них С выполняет роль источника коммутационного U. Рассмотрим базовую схему ТирКа постоянного тока и временные диаграммы на активную нагрузку.

При замыкании кнопки «пуск», в момент времени t = 0 подается управляющий импульс i_у1 на силовой VS1. VS1 включается и по нагрузке Rк начинает протекать ток, величина которого равна

одновременно через VS1 начинает протекать ток зарядный Cк

, ток i_vs1 имеет всплеск обусловленный зарядом Cк. Cк заряжается с полярностью на данном рис. Для выключения VS предусмотрен коммутационный контур, который выполнен на базе Cк, вспомогательного VS2 и резистора R1.

Для выключения нагрузки, нажатием кнопки «СТ» подается i_y2 на управляющий электрод VS2. VS2 включается и он соединяет коммутационный конденсатор Cк параллельно силовому VS1. В результате на VS1 подается обратное U конденсатора» Uпит.

Cк подает Uобр на силовой VS1, начинается разряд Cк.

Т.к. в разрядном контуре отсутствует L разрядный ток будет нарастать скачком, т.е. практически мгновенно i_vs1 уменьшается до 0 он выключается. Cк продолжает разряжаться по Cк – VS2 – источник питания – Rн и левая обкладка C. t_р=Cк×Rн – постоянная времени разряда, она будет определять скорость разряда конденсатора. В процессе выключения VS1 к нему приложено Uобр, которое =Uс(Ск), т.е. к VS приложено Uобр в течение времени t_обр это время должно быть достаточным для того, чтобы VS1 перешел из состояния высокой проводимости в состояние низкой проводимости, в противном случае VS включается вновь после момента времени t_з, когда к VS будет прикладываться Uпрямое, поэтому для надежного выключения VS1 выполняются условия: t_обр>t_{выкл tвыкл} – время выключения VS1. t_обр определяется путем решения дифференциального уравнения контура разряда, отсюда t_обр=C_к×R_н×In2=0,69×C_к×R_н. Минимальная емкость коммутационного конденсатора необходимая для надежного выключения силового VS.

,

где Кн=1,5…2, коэффициент, который учитывает изменение t_выкл при несовпадении температуры структуры VS, коммутируемого тока, Uобр, скорости приложения Uпр с классификационными значениями.

При Rн – Lн L будет препятствовать резким изменениям тока i_н Þм ожно сделать допущения: i_н в течении интервала коммутации t₂ – t₄ остается неизменным. При данном допущении Cк будет перезаряжаться неизменным током нагрузки i_н с постоянной скоростью. При этом напряжение на С буде изменяться по линейному закону.

Отсюда следует, что t_обр­Þпри RнLн min С_к.доп¯

Процесс выключения ТирКА заканчивается выключением VS2. Для этого необходимы условия:

т.е. сопротивление R1 должно быть повышенным. Повышенное значение сопротивления R1 увеличивает время заряда Cк при включении ТРК (0-t₁) t_з=R1×Cк – увеличивается.

В результате ограничивается допустимая частота коммутации, которая определяется суммой интервалов 0 – t₁ и t₂ – t₄ в течение которых протекают переходные процессы при включении и выключении ТРК. Следовательно к емкости Cк и к сопротивлению резистора предъявляются противоречивые требования, для надежного выключения ТРК значения этих величин должно быть повышенным, а для высокого быстродействия пониженным. (оптимальное соответствие R1и Cк)

Недостатки схемы ТРК следующие: бросок тока i_н при выключении, которые достигают значений

это объясняется последовательным включением конденсатора с источником питания при включении VS2. Этот бросок будет особенно значительным при аварийном отключении, когда Rн=0

зависимость t_обр=f(Rн). В результате ТРК имеет i_max.доп = i_н.max (соответствующий R_нmin) превышение которого приводит к срыву коммутации.

Необходимость в значительном сопротивлении R1, что снижает предельную частоту коммутации ТРК.

Указанные недостатки можно устранить усложнением схемы. Однако, если ТРК предназначен для коммутации только Iном при небольшой частоте коммутации, то все недостатки становятся не существенными.

В случае возникновения аварийного режима, когда i_н превысит значение тока I_{у.встав.} ТРК отключит цепь автоматически, т.е. без подачи постороннего сигнала.

При i_{у.вставки} напряжение на Rш (измерительном шунте) U_ш=U_ш.ср при котором включается вспомогательный VS2 и отключает основной VS, который отключает цепь. U_ш.ср=U_у.вкл+U_VD1+U_стаб., где U_у.вкл – минимальное допустимое значение U на управляющем электроде VS2 необходимого для его включения. I_у.вст регулируется Rш и подбором стабилитрона по параметру Uстаб. Высокое быстродействие позволяет прервать Iкз за долго до момента достижения им максимального значения. Обладают ярко–выраженной ограничивающей способностью по току, предотвращают разрушающее воздействие Iкз

Область применения: на базе рассмотренного ТРК могут быть созданы

1.Контактор постоянного тока. 2. Автомат защиты и коммутации силовой цепи. 3. Силовой симметричный триггер, который подключает одну нагрузку при наличии или или другую нагрузку при наличии . 4. Регулятор напряжения – I. предназначенный для регулирования и стабилизации U, тока, мощности нагрузки. предназначен для обеспечения режима непрерывного тока нагрузки (двигателя) и для снижения перенапряжений при запирании ТирКА, когда ток в реакторе резко снижается.

СУ-система управления VS,

,

где – период и частота переключения ТирКА. – относительное время замкнутого состояния ТирКА. – скважность импульсов.

Полученное выражение справедливо при пренебрежении падением напряжения на силовом тиристоре и реакторе.

Область применения тиристорного импульсного РН.

Однооперационные VS самые мощные полупроводниковые приборы в настоящее время VS выпускаются на I до 4500 А и U до 10 кВ. Но эти VS полууправляемые п/п приборы, что существенно усложняет тиристорный импульсный РН. Поэтому тиристорные РН находят широкое применение лишь для регулирования и стабилизации частоты вращения мощных ДПТ с НВ или другой мощной нагрузки. Изменяя выходное напряжение на якоре двигателя можно регулировать в широких пределах частоты вращения двигателя. При этом жесткость механической характеристики будет оставаться постоянной равной жесткости естественной характеристики, что объясняется постоянством магнитного потока. Это является существенным достоинством регулирования частоты вращения. Однако высокая жесткость мех. характеристики будет иметь место при непрерывном токе якоря двигателя.

Условия непрерывного режима работы.

Заключается в выполнении неравенства: (*) для выполнения данного условия:

1.Последовательно с нагрузкой включают реактор LC с индуктивностью , Если индуктивность нагрузки недостаточна для выполнения условия (*)

2. Повышают частоту переключения до предельного значения 800…1200 Гц. Дальнейшему увеличению частоты препятствуют предельные динамические параметры в VS и потери в них.

Выбранную проверяют на:

1) Допустимую пульсацию тока якоря двигателя , где – отклонение от среднего значения.

2) На ограничение потребляемого от источника при к. з. на зажимах двигателя.

Для регулирования частоты двигателя наибольшее применения нашло широтно–импульсное регулирование (ШИР). При котором частота коммутации остаётся постоянной, а изменяется лишь длительность замкнутого состояния ТирКА, изменяется

23. Тиристорные коммутационные ЭА переменного тока. Эл. схема, принцип действия, временные диаграммы .

Они не треб. спец. устройства для выкл. VS. Они выкл. автоматически. при подходе анодного тока к нулевому значению. Силовой блок полюса ЭА м/б выкл по 4 вар на рис 6.16. Из этих вариантов наиб простым и нашедшим наиб. практич. применен. является вар а). На рис б) ЭА имеет 2 VS и 2VD причем у VS объедин. катоды, поэтому эти VS могут управляться от. ист. упр-го. сигнала с одним выходом.

Вариант полюса по рис. в) сод. один VS, но этот вар-т может примен-ся лишь при работе на активную нагрузку с f 50 Гц и изм. относ. неб. токах.

Вариант г) выполнен на семмисторе, но семистор уступает по надежности и предельному току и напр. однооперационному VS. Варианты б),в),г) применяется в коммутационных. аппаратах. на небольшую мощность.

Выбор тиристоров

В сх. а),б) среднее знач-е тока i В схеме а) обратное напр-е:

, В сх. б) обр. напряжение: . В сх. г) ;

Пример: рассм. ТирКА с силовым блоком по сх. а) рис 6.17

Здесь управление двумя встречно || вкл-ми VS осуш-ся с помощью цепи, состоящей из резисторов R1,R2,R3

и ключа S. Эта цепь подкл-на на анодное UV5.l2 выбир-ся из условия ограничения амплитуды импульса тока упр-я до допуст. значения.

, где – амплитудное допустимое. значение управляющего тока тиристора. Диоды VD1 и VD2 необходимы для защиты управляемых переходов VS от Uобр при “–“ напряжении на их анодах. При включении ключа S в первый же полупериод при достижении током управления Iу отпирающего значения Iу.отп один из VS вкл-ся. При вкл. VS имеет место задержка включения на угол , кот необходим для того, чтобы Iу, изменяясь по закону sin от нуля до iу. отк. Миним. значение , но тиристоры имеют разброс параметров. В результате в кривой тока нагрузки появляется постоянная составляющая. Когда это недопустимо то угол выравнивается с помощью подстроечных резисторов R1,R3. Схема управления с питанием от анодного напряжения широко применяется в ЭА.

Она проста надежна и имеет потери мощности на управляемом переходе. Последнее объясняется фактически импульс. управлением. Как только VS включается, то анодное до 1…2 В, Соответственно управляющее напряжение до

1…2 В и ток iу практически прекращается до 0. Управление VS здесь удобно вести не путем изменения параметров цепи управления как в транзисторных усилителях, а путем коммутации цепи управления ключом S. Упрощается цепь управления и ее надежность,снижаются требования к стабилизации параметров цепи управления, т.к. она буде работать в ключевом режиме. Повышается общий коэффициент усиления, т.к. мощность переключения ключа S < мощности цепи управления тиристором.

В качестве ключа S м/б исп. контактные элементы (герконы) или бесконт-е (маломощн симмистор). Они обладают усилительными свойствами. В результате ЭА являетсяся по существу 2- Каск. релейн усилителем с силовым VS в выходном каскаде. ТирКА ~ тока может работать не только в режиме контактора, но и в режиме РН, осуществляющего регул-е напр-я, а след-но мощ-ти, поступающей к потребителю энергии.

24. Тиристорный регулятор переменного тока. Электр. схема, принцип действия, временные диаграммы , регулировочная характеристика, области применения.

В настоящее время регулирование мощности, подводимой к приемнику энергии~ тока осущ-ся в большинстве случаев тирист. РН.

Назначение RC: Тиристор VS обладает инерционностью, ему необх время для перехода из состояния высокой в низкую проводимость. Поэтому при выключении VS ток начинает нарастать при переходе тока через 0 по тому же закону что и при подходе к 0. В результате при акт-инд нагрузке возн перенапряжения, называемые коммутационными. Коммутац. перенапряжения, зависят от L коммутационной цепи динамич свойств VS.

В зависимости от сочетания этих факторов max значения комм. перенапр. без принятых мер их могут достигать значений в (3…5) раз Uсети(амплит). При встречно || соединении VS коммут. перенапр-я, прикладываемые к VS является одновременно обратными для запирающегося VS и прямыми для отпирающегося VS. VS боятся и скорости нарастания Поэтому защитные меры должны быть направлены как для комм. перенапряжения так и на скорость нарастания Uпр.

Решение обеих задач достигается шунтированием VS RC-цепью. Объяснение коммутационных напряжений и скорости их нарастания аналогично объяснению при шунтировании контактов RC цепью.

В результате при выключении перенапряжение которое возникает- называется коммутационным. Коммутационной перенапряжение зависит от параметров коммутационной цепи и от динамических свойств VS. В зависимости от сочетания указанных факторов- без принятых мер снижения перенапряжения, оно доходит до (3…5) амплитуды Uсети. При встречно параллельном включении VS коммутационное напряжение прикладываемое к VS является одновременно для запирающего VS и прямым для отпирающего VS. Тиристоры боятся больших Uобр и большой скорости нарастания прямого напряжения. Защитные меры должны быть направлены на снижение Umax коммутирующего, так и на скорости нарастания ↓Uпр. Это достигается шунтирование VS RC цепью. Объяснение ↓ коммутационных напряжений и их нарастанию, объяснено Uзк при шунтировании тиристоров RC цепью.

Регулирование действующего значения ≈U, осуществляется фазовым способом, то есть регулирование фазы включения VS путём изменения угла управления α. При этом регулируется угол проводимости λ VS. При активной нагрузке λ=π- α. Поэтому при ↑α то ↓ действующее значение U на нагрузке.

Регулировочная характеристика.

При активно индуктивной нагрузке Lн препятствует резким изменениям тока и затягивает длительность прохождения тока на угол λз. λ=(π- α)+ λз. При этом на интервале от α…π Iн совпадает с U и → мощность отдаётся в нагрузку; λз на интервале U становится «-», а Iн «+», энергия накопленная в нагрузке возвращается к источнику питания.

В ωt=α+λ Iн=0 и работающий VS выключается и наступает без токовая пауза, до момента включения встречного тиристора., который включается в момент подачи управляющего импульса и регулятор напряжения работает в режиме РПТ. При ↑α длительность интервала при котором энергия поступает из сети в потребитель ↓, ↓ длительность при котором энергия возвращается в сеть → безтоковая пауза возрастает. при этом U на нагрузке с ↑α будет ↓, но регулировочная характеристика пойдёт выше относительно характеристике при активной нагрузке. Возрастание действующего значения Uн при одном и том же угле α объясняется большей площадью ограниченной кривой напряжения (временные диаграммы).

При α=φн=arctg(ωLн/Rн) безтоковая пауза исчезает. Ток становится синусоидальным, наступает РИТ. При котором Uн= Uн.max=Uc, при дальнейшем ↓α Uн остаётся постоянным и равно Uc, РН при 0…φк не регулирует Uн, то есть в режиме РНТ РН не осуществляет регулирование напряжения Uн. При этом тиристоры включаются не в момент поступления управляющих импульсов, а в естественные моменты перехода тока через 0, или на управляемом входе будет управляющий импульс.

Регулирование с α> φн.

При индуктивной нагрузке РПТ и регулирование Uн начинается при α=900, при этом регулировочная характеристика идёт ещё выше.

Вывод:

1. Uн зависит не только от Uс,α, но и от характера нагрузки.

2. Uн регулируется только в РПТ, когда α> φн так как в процессе работы φн может измениться, то управляющие импульсы должны быть длительными.

25. Импульсный транзисторный регулятор постоянного напряжения. Эл. схема, принцип действия, временные диаграммы , внешние нагрузочные характеристики.

РН малой и средней мощности выполняется на базе транзисторов, которые позволяют выполнить полностью управляемый ключ S проще. РН малой и средней мощности выполняют в большинстве случаев с LC-фильтром

Его принцип действия аналогичен тиристорному регулятору напряжения, но есть некоторые особенности:

1.Силовой ключ S выполняется на базе транзисторов с полевым управлением, а именно силовых или МОП транзисторов или БТИЗ

МОП транзисторы имеют малые динамические и статические потери мощности, малое время переключения что позволяет им работать на частотах до 1 МГц.

2. Повышают частоту переключения f СУ выпускается на базе формирователя импульсов управления ФИУ, которые доведены до интегрального выполнения.

3.Применяются LC фильтры

Расчет параметров фильтра проводится из условия обоснования заданного коэффициента пульсаций выходного напряжения.

, где –отклонение выходного напряжения от среднего значения. –частота повторения. зависит от , т.е. в процессе регулирования U, зависимость имеет вид. при ;

учитывая соотношение (1) и данную зависимость можно рассчитать LC по условию заданного в техническом задании .

Расчет индуктивности реактора фильтра:

L реактора д/б оптимальной, т.к. с одной стороны при L уменьшается пульсация тока реактора и коэф-т кратности тока реактора

; где – среднее значение тока реактора.

С другой стороны ухудшает массогабаритные параметры реактора.

Для современной элементной базы ТРН средней мощности по массогаб. пок-лям является режим работы с кГц и Учитывая данный Кi и зависимость можно рассч. соотношение для индуктивности реактора – оптимальная индуктивность

Расчет емкости конденсатора фильтра.

Рассчитанное значение емкости проводится на доп. динамич. отклонение при сбросах и набросах нагрузки на величину