Лабораторная работа №7

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УСТРОЙСТВ ИСКУССТВЕННОГО СОКРАЩЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ (УСДР) НА ИСКРОБЕЗОПАСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: Изучить влияние устройств искусственного сокращения длительности (УСДР) на искробезопасные источники постоянного и переменного тока. Проанализировать влияние напряжения источника питания, напряжения стабилизации, фильтрующей и шунтирующей емкости, а также индуктивности источни­ка на величину искробезопасного тока короткого замыкания, опреде­лявшиеся экспериментально. Ознакомиться с источниками питания постоянного и переменного тока, отключающимися при аварийных режимах.

Методические указания

Изучить типы источников питания.

Рассмотреть формулу мощности для источники питания с линейной и нелинейной характеристикой.

Проанализировать принципиальные схемы источников постоянного тока при аварийных режимах и коммутации цепи.

Проанализировать принципиальную схему источника переменного тока, использующего фильтр верхних частот при коммутации цепи.

 

Порядок выполнения

Изучить вопросы обеспеченияе искробезопасности источников питания

7.2.1. Источники питания постоянного тока

В зависимости от вида применяемых способов и средств можно выделить следующие типы источников питания: с линейной или нелинейной характеристикой; с устройствами искрозащиты, отключающими источник при перегрузке и коротком замыкании; с устройствами искрозащиты, отключающими источник при каждой коммутации цепи.

В системах постоянного тока могут быть также применены источники питания с импульсным напряжением одной полярности.

Источники питания с линейной и нелинейной характеристикой. При использовании линейных источников питания в нагрузке выделяется мощность

(7.1)

где U_х— напряжение холостого хода источника; I_к — ток короткого за­мыкания источника.

При максимальной мощности нагрузки напряжение и ток нагрузки равны соответственно половине напряжения холостого хода и тока ко­роткого замыкания источника. Поскольку напряжение холостого хода выбирают из условия необходимого напряжения на нагрузке, искробезо­пасности достигают ограничением тока короткого замыкания источника до искробезопасной величины. При наличии индуктивности в цепи источника значения искробезо­пасных токов, а также мощности источника и нагрузки уменьшаются.

Для повышения искробезопасной мощности источников питания с линейной характеристикой применяют средства, ограничивающие вели­чину и скорость нарастания напряжения на выходе источника. При огра­ничении выходного напряжения источника во время коммутации цепи до уровня напряжения холостого хода, например, за счет стабилитронов шунтирующих э.д.с. самоиндукции, величина искробезопасного тока короткого замыкания хота и увеличивается, но остается меньше тока короткого замыкания безреактивного источника. В этом случае при размыкании цепи короткого замыкания источника напряжение на кон­тактах изменяется в таких же пределах, как и при размыкании безреак­тивного источника, однако ток в разряде при достаточной величине ин­дуктивности может оставаться в течение всего разряда практически рав­ным току короткого замыкания источника. Таким образом, такой ис­точник по воспламеняющей способности равен источнику питания с не­линейной характеристикой, но при этом в нагрузке используется только четверть искробезопасной мощности. При идеальной нелинейной харак­теристике в нагрузке используется почти вся мощность источника.

Применение емкостных шунтов на выходе источника, ограничиваю­щих скорость нарастания напряжения на выходе источника, целесообраз­но в том случае, если энергия, запасенная при коротком замыкании источника в его индуктивности, недостаточна для зарядки шунтирующей емкости до напряжения, значительно превышающего напряжение холос­того хода источника, а также для воспламенения газовой смеси при повторном коротком замыкании источника в тот момент, когда напряжение на шунтирующей емкости будет максимально. Применение шунтирующей емкости эффективно также в том случае, если источник питания имеет дополнительный шунт, ограничивающий величину выходного напряжения в момент коммутации, например стабилитрон.

Применение емкостного шунта в этих случаях позволяет увеличить искробезопасный ток нагрузки примерно в полтора раза. Несмотря на небольшую искробезопасную мощность, которую могут обеспечить источники питания с линейной характеристикой в нагрузке, а также на нестабильность выходного напряжения, такие источники широко применяют для питания отдельных узлов аппаратуры, мощность которых не превышает 1,2 ватт.

Шунтирующую емкость выбирают в соответствии с выражением:

С = I²/V (b+aV), (7.2)

где I – ток,

V – скорость расхождения контактов,

a, b – коэффициенты, характеризующие степень тепловой и ударной ионизации.

 

Увеличение искробезопасной мощности цепи получают при применении источников с нелинейной вольт — амперной характеристикой. Нелинейная характеристика может формироваться с помощью транзисторов, диодов, стабилитронов и пр. Примеры схем, формирующих нелинейную характеристику, приведены на рис. 7.1. Формирование нелинейной характеристики происходит за счет нелинейного ограничения тока при умень­шении сопротивления нагрузки или напряжения.

Рис. 7.1. Схемы, формирующие нелинейные характеристики источников питания

Искробезопасность источника питания в режиме короткого замыка­ния зависит от напряжения стабилизации, тока короткого замыкания, который определяется напряжением источника и его ограничительным сопротивлением, а также емкости, подключенной к выходу ис­точника.

Величина эффективной искробезопасной мощности источников и подключаемой к ним нагрузки зависит, при одинаковых значениях нап­ряжения стабилизации и тока короткого замыкания, от соотношений напряжений источника питания U и стабилизации, сопротивлений источника и нагрузки, а также от степени фильтрации напряжения. Оценим влияние напряжения стабилизации стабилитронов, шунтирующей и фильтрующей емкости на искробезопасность цепи и величину эффектив­ной искробезопасной мощности источника и нагрузки.

Если стабилитрон ограничивает постоянное напряжение, например, аккумуляторной батареи, то значение эффективной разрывной мощности можно определить из выражения:

 

(7.3)

 

где k = U_Ст/Е; U_Ст и ток короткого замыкания, равный Е/R, ограничены до значения, при котором обеспечивается искробезопасность цепи.

Экспериментальные исследования позволяют сделать следую­щие выводы. Напряжение источника литания при одном и том же напря­жении стабилизации влияет на искробезопасный ток, если это напряже­ние соизмеримо с напряжением стабилизации стабилитрона. При увели­чении напряжения его влияние на искробезопасный ток уменьшается. Напряжение стабилизации стабилитрона существенно влияет на вели­чину искробезопасного тока источника. Особенно сильно это проявляет­ся при уменьшении напряжения стабилизации до значения катодного па­дения напряжения. Индуктивность источника также влияет на искробезо­пасный ток.

Промышленностью выпускались разработанные в НПО „Автоматгормаш" источники питания, искробезопасность кото­рых обеспечивается за счет стабилитронов, фильтрующей и шунтирую­щей емкости. Выходные параметры источников питания: 6 В, 0,3 А; 12 В, 0,3 А; 24 В, 0,15 А и 48 В, 0,04 А.

Источники питания, отключающиеся при аварийных режимах. Искро­безопасная мощность источников питания увеличивается в результате их отключения в том случае, если ток или напряжение источника в ава­рийных режимах достигает искробезопасных значений. Унифицирован­ный ряд искробезопасных источников питания, разработанных в НПО' „Автоматгормаш" и изготовленных на Макеевском заводе шахтной автоматики, включает три типа стабилизированных источников питания (С1.С2, С).

Источник питания типа С1 имеет пять модификаций (С1-3/1, С1-5/1, С1-9/1; С1-12/1 и С1-24/0,5) и создает в нагрузке ток 1 А при напряже­ниях 3,5 или 12 В и 0,5 А при 24 В. Искробезопасность источника пита­ния осуществляется благодаря его отключению при превышении тока или напряжения. Увеличение тока в цепи контролируется по падению напряжения на резисторе R8 (рис. 7.2.). При увеличении тока во внешней цепи возрастание напряжения на этом резисторе приводит к открыванию тиристора VS3 и закорачиванию выходной цепи источника. Особенность этого источника в том, что в двух плечах выпрямителя используются тиристоры, которые поддерживаются в открытом состоянии дополни­тельным источником питания. При открывании тиристора VS3 ток про­текает через диод VD4, который шунтирует дополнительный источник. Вследствие этого тиристоры моста запираются, а после разряда шунти­рующей емкости С2 запирается тиристор VS3 и источник питания восстановится, если ток во внешней цепи не будет превышать но­минальный.

Источник питания отключается также при увеличении выходного напряжения. В этом случае стабилитроны VD11 и VD12 обеспечивают протекание базового тока через тиристор VS4 и последний отпирается, шунтируя выходную цепь источника. Увеличение тока при включении ти­ристора VS4 приводит к включению тиристора VS3 и запиранию тиристо­ров VS1 и VS2. Напряжение источника питания стабилизировано. Искробезопасность безопасность выходной цепи источника получают также с помощью фильтрующей емкости С2 и шунтирующей С9.

Рис. 7.2. Принципиальная схема источника питания типа С1

 

Источники питания типа С2 имеют четыре модификации (С2-3/0,45; С2-6/0,4; С2-12/0,3; С2-24/0,15) и обеспечивают в нагрузке при напря­жениях 3, 6, 12 и 24 В соответственно токи 0,45; 0,4; 0,3 и 0,15 А. Отли­чие этого типа источника от С1 заключается в том, что он не содержит за­щиту от перегрузки и короткого замыкания. Источники питания типа С имеют две модификации (С-12/1; С-24/0,6) и обеспечивают в нагрузке при напряжении 12 В ток, равный 1 А, и при 24 В ток 0,6 А. Особенностью этого типа источников питания является то, что они содержат включенный последовательно дроссель, шунтиро­ванный диодом. Это позволяет подсоединять к источнику емкостную на­грузку, исключая при этом срабатывание искрозащиты источника от за­рядных токов. Источник питания содержит измерительный резистор, па­дение напряжения на котором через стабилитрон подается на управляю­щий переход тиристора, а также параметрический стабилизатор напряже­ния. При повреждении стабилизатора источник питания отключается. Здесь, как и в источниках типов С1 и С2, применяют фильтрующую и шунтирующую емкость.

Источники питания, отключающиеся при коммутации цепи.

Еще большего увеличения искробезопасной мощности достигают при отклю­чении источника питания при каждой коммутации цепи. Обеспечение ис­кробезопасности таких источников имеет ряд особенностей. Одной из них является то, что напряжение питания почти не влияет на величину искробезопасного тока. Напряжение на электрическом разряде в началь­ный момент коммутации равно напряжению зажигания дуги U₀ и увеличивается по мере развития разряда. Если отключение источника проис­ходит в течение первых нескольких микросекунд, то напряжение на разряде близко к U₀ и не зависит от напряжения источника. Энергия, выделяемая в разряде за это время, определяется Величиной коммути­руемого тока и длительностью разряда. Из этого следует, что величина искробезопасной мощности таких источников питания возрастает при увеличении их выходного напряжения и определяется коммутируемым током и временем срабатывания искрозащиты.

Одной из основных задач при обеспечении искробезопасности источников питания, отключающихся при коммутации цепи, является выделе­ние сигнала, выключающего источник питания. Как показано в разд. 1, начало возникновения разряда определяют по изменению тока в цепи или напряжения на выходе источника, для чего используют дроссели или конденсаторы. К особенностям искробезопасных источников повышенной мощнос­ти можно отнести то, что они отключаются не только при аварийной ком­мутации, например при коротком замыкании, но и при подключении или отключении части нагрузки при нормальной работе системы.

Несмотря на ограничение области применения таких источников пита­ния, получаемое существенное увеличение искробезопасной мощности вызвало необходимость разработки таких источников и обеспечило их широкое применение для энергоемких систем шахтной автоматики. В автоматизированном комплексе КМ87А для питания системы автомати­зации крепи был применен искробезопасный источник БПИ-50, обеспе­чивающий при 24 В искробезопасную мощность 50 Вт. Промышленностью выпускались разработанные в НПО „Автоматгормаш" три модификации источников питания типа ИП (ИП24, ИП27, ИП36), искробезопасность которых обеспечивается отключением при каждой коммутации цепи. Эти источники обеспечивают в нагрузке при напряже­нии 24, 27 и 36 В токи соответственно 1,2; 1,0; 0,9 А. Перерывы в пита­нии, вызванные коммутацией внешней цепи, не превышают 3 мс.

7.2.2. Источники питания переменного тока

Искробезопасность ис­точников питания переменного тока, как и постоянного, осуществляется за счет ограничения тока и напряжения цепи, отключения источника при достижении предельных по условиям искробезопасности значений тока и напряжения выходной цепи, а также при коммутации цепи. Изменение полярности питающего напряжения, с одной стороны, при­водит к усложнению средств искрозащиты, так как большинство элемен­тов, применяемых для обеспечения искробезопасности, обладает одно­сторонней проводимостью и поэтому блоки искрозащиты ставятся для каждой полуволны питающего напряжения. С другой стороны, измене­ние полярности напряжения позволяет исключить из источников питания устройства для восстановления и плавного включения источников, так как такое восстановление и включение происходит автоматически при изменении полярности напряжения.

На рис. 7.3 приведена схема источника питания переменного тока типа П искробезопасность которого обеспечивается с помощью ограничитель­ного резистора и встречно включенных стабилитронов. Блок питания имеет три модификации —П-12/0,15; П-24/0,08 и П-36/0,06, — Создающие в нагрузке при напряжениях 12, 24 и 36 В токи соответственно 0,15; 0,08; 0,06 А. Для искробезопасности в источнике питания используется также шунтирующий конденсатор.

 

Рис.7.3. Принципиальная схема источника питания типа П

 

В Украинском филиале ВНИМИ разработан унифицированный ряд искробезопасных источников питания, применяемых в шахтной геофизической аппаратуре. Унифицированный ряд содержит два типа источников питания, выходная мощность которых составляет 15 и 30 Вт. Особенностью этих источников питания является то, что в качестве источника энергии используется ак­кумуляторная батарея, а повышение искробезопасной мощности дости­гается за счет преобразования постоянного напряжения в переменное прямоугольной формы с частотой порядка 25 кГц. Источник питания со­держит преобразователь постоянного напряжения в переменное, узел контроля частоты выходного напряжения, а также стабилизатор напря­жения. Выходное напряжение источников унифицированного ряда равно 60 В.

Рис.7.4. Принципиальная схема источника питания переменного тока

 

Увеличение искробезопасной мощности источников питания перемен­ного тока создается, как и источников питания постоянного тока, путем отключения его выходных цепей при каждой коммутации цепи. Такие искробезопасные источники применяются в аппаратуре управления, сиг­нализации и связи. Повышение искробезопасной мощности таких источ­ников достигается с помощью узлов искрозащиты, контролирующих частоту выходного напряжения, выделяющих с помощью фильтров верхних частот высокочастотные составляющие напряжения, возникающие при коммутации цепи, и отключающих источник питания при коммутации.

Для обеспечения искробезопасности цепей управления угледобываю­щих комплексов в аппаратуре ЦПУ (центральный пульт управления) применен искробезопасный источник питания, содержащий феррорезонансный стабилизатор напряжения, RC-фильтры верхних частот, вход которых подключен к выходу стабилизатора напряжения, а выход — на входы тиристорных ключей, шунтирующих при включении выходную цепь источника питания.

Кроме того, источник питания снабжен устройством, отключающим его выходную цепь при перегрузке или коротком замыкании. На рис. 7.4 приведена схема источника питания. При коммутации цепи, когда с воз­никновением электрического разряда напряжение на выходе источника питания скачкообразно увеличивается, на вход тиристора VS1 или VS2, в зависимости от полярности питающего напряжения, при которой проис­ходит коммутация цепи, поступает сигнал, включающий соответствую­щий тиристор. При перегрузке или коротком замыкании цепи, когда ток и напряжение на резисторах R5 и R6 увеличиваются до значений, превышающих порог срабатывания тиристоров VS1и VS2, происходит также их включение и шунтирование выходной цепи источника питания. При частоте питающего напряжения 50 Гц искробезопасность выходных цепей источника обеспечивалась при напряжении 60 В и токе 0,5 А.

Содержание отчета

• Тема и цель работы.

• Номер варианта и задание на выполнение лабораторной работы

• Указать типы источников питания

• Привести формулу мощности для источники питания с линейной и нелинейной характеристикой.

• Привести принципиальные схемы источников постоянного тока при аварийных режимах и коммутации цепи.

• Привести принципиальную схему источника переменного тока, использующего фильтр верхних частот при коммутации цепи.

 

Выводы