Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока

 

В сетях постоянного тока в качестве коммутирующего прибора предпочтительное применение находят полностью управляемые приборы — транзисторы. Это объясняется тем, что другие приборы — тиристоры для отключения постоянного тока требуют использования специальной, довольно сложной схемы искусственной коммутации и поэтому находят довольно ограниченное применение.

Как указывалось выше, транзисторные коммутаторы-ключи, должны совмещать функции ограничения максимальных токов нагрузки и защиты сети от короткого замыкания. Для реализации этих функций в составе коммутатора необходимо иметь устройство, обеспечивающее ограничение тока на заданном уровне и отключающее его полностью при затяжном характере перегрузки. Все указанные операции по управлению силовым ключом-транзистором осуществляются в практических схемах с помощью вычислительного устройства,

 

собранного для уменьшения габаритов, массы и потребления мощности на микросхемах. На рис. 9.1.7 представлена функциональная схема бесконтактного выключателя защиты сети постоянного тока, рассчитанного на ток 30 А при

напряжении 27 В. Выключатель имеет КПД 96 — 98 %, объем 120 см³, массу 250

 

Рис. 9.1.7.Функциональная схема выключателя защиты сетей

 

г и отключает сеть при максимальном токе 80 А за 3 мкс.

На схеме И — источник питания, Н — нагрузка сети, VT — транзистор, включающий и отключающий нагрузку. Управление транзистором производится от усилителя У, который, в свою очередь, управляется блоком логики Л, получающим информацию о токе нагрузки в виде падения напряжения на резисторе R_T. Цепи управления питаются от вторичного источника питания ВИП. Диод VD1 служит для пропуска обратного тока, так как транзистор VT имеет одностороннюю прово­димость, а стабилитрон VD2 защищает транзистор от перенапряжений.

На рис. 9.1.8 изображены временные диаграммы работы ключа. В нормальном режиме работы силовой транзистор-ключ находится в насыщенном состоянии с малым коллекторным падением напряжения и поэтому с малыми потерями. При увеличении тока до предельного значения, называемого током отключения 1_откл, транзистор переводится системой управления в широтно-импульсный режим стабилизации тока на уровне тока отключения. Этот режим система управления может поддерживать в течение определенного заданного интервала времени Т_и. Если за это время ток уменьшится до нормального значения, то отключение нагрузки не произойдет. Такой режим может быть при кратковременных бросках тока, нагрузки, например при пуске двигателя. Величина Т_И выбирается в соответствии с предполагаемой длительностью броска тока. Если же ток не спадает, например, вследствие короткого замыкания, то по истечении времени Т_И происходит отключение нагрузки путем запирания транзистора. Для обеспечения автоматического повторного включения схема управления производит периодические контрольные включения с довольно большим интервалом времени Т.

 

Рис.. 9.1.8. Временные диаграммы тока нагрузки при кратковременном броске тока (кривая 1) и при коротком замыкании (кривая 2)

 

Выключатели тиристорные

 

Для коммутации силовых цепей переменного тока используются преимущественно тиристоры. Они способны пропускать большие токи при малом падении напряжения, включаются сравнительно просто подачей на управляющий электрод маломощного импульса управления. При этом их основной недостаток — трудность выключения — в цепях переменного тока не играет роли, так как переменный ток обязательно два раза за период проходит через нуль, что обеспечивает автоматическое выключение тиристора.

Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента приведена на рис. 9.1.9. Импульсы управления формируются из анодных напряжений тиристо­ров. Если на аноде тиристора VS1 положительная полуволна напряжения, то при замыкании контакта К через диод VD1 и резистор R пройдет импульс тока управ­ления тиристором VS1. В результате тиристор VS1 включится, анодное напряжение упадет почти до нуля, сигнал управления исчезнет, но тиристор останется в прово­дящем состоянии до конца полупериода, пока анодный ток не пройдет через нуль. В другой полупериод, при противоположной полярности напряжения сети, анало­гично включается тиристор VS2. Пока контакт К будет замкнут, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источни­ка к нагрузке.

Контакторы (пускатели). Тиристорные элементы (рис.9.1.9) являются основой однофазных и трехфазных контакторов. На рис. 9.1.10 в качестве примера изображена схема реверсивного пускателя для асинхронных двигателей. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры VS1 — VS10, которые открываются контактами К11, К12, К13 реле К1 (вперед) или контактами К21, К22, К23 реле К2 (назад). Трансформаторы тока ТА1 и ТА2 подают сигнал перегрузки в блок защиты БЗ, который, воздействуя на базу транзистора VT, снимает питание реле К1 и К2 и тем самым отключает пускатель.

Аналогично устроены тиристорные станции управления асинхронными нерегулируемыми электроприводами мощностью до 100 кВт типа ТСУ. Станции выполняют операции пуска, останова, динамического торможения и реверса двигателя.

Использование тиристоров в качестве бесконтактных аппаратов на постоянном токе затруднительно из-за проблемы отключения. Если в цепях

 

переменного тока тиристоры включаются автоматически при прохождении тока через нуль, то в цепях постоянного тока приходится применять специальные меры по принудительному снижению тока тиристора до нуля, т. е. производить так нарываемую принудительную коммутацию тока тиристора. Существует много разнообразных схем принудительной коммутации. Большинство из них содержит коммутирующие конденсаторы, которые в нужный момент с помощью вспомогательных тиристоров вводятся в цепь основного тиристора и включают

его.

 

Рис. 9.1.9. Схема однофазного тиристорного коммутирующего элемента

 

На рис. 9.1.11 изображена одна из схем принудительной коммутации. При подаче управляющего импульса на силовой тиристор VS включается цепь нагрузки Rн, (ток через тиристор i_T равен сумме токов нагрузки i_Н и через конденсатор i_С), коммутирующий конденсатор С заряжается до напряжения источника U. Полярность напряжения и_с указана на рис. 9.1.11, а. Схема готова к отключению, и если в момент t1подать управляющий импульс на вспомогательный тиристор VS_B, то конденсатор С окажется включен ым

 

Рис. 9.1.10. Схема нереверсивного пускателя

 

параллельно тиристору VS, ток нагрузки перейдет с тиристора VS на конденсатор С и тиристор VS выключится. Под действием ЭДС источника конденсатор будет перезаряжаться. Напряжение конденсатора и_с изменится в процессе перезаряда от — U до +U (рис. 9.1.11, б), а ток i_c постепенно спадет до нуля. Нагрузка Rн окажется отключенной от источника. Если теперь снова в момент t₂ включить нагрузку Rн, открыв тиристор VS, то опять конденсатор С зарядится до напряжения — U и схема будет готова к повторному отключению.

Таким образом, отключение тиристора на постоянном токе оказывается сложнее, чем на переменном. Эта проблема решится окончательно лишь после

 

 

Рис. 9.1.11. Схема тиристорного выключателя постоянного тока (а) и диаграмма его работы (б)

 

 

Рис. 9.1.12. Схема бесконтактного выключателя Рис. 9.1.13. Осциллограмма отключения тока короткого замыкания

 

создания мощных, полностью управляемых тиристоров, способных запираться при воздействии только на цепь управления.

Выключатели автоматические. На базе тиристорных элементов (см. рис. 9.1.9) выполняются автоматические бесконтактные выключатели серии ВА81 на токи до 1000 А. Они предназначены для защиты электрических установок в сетях напряжением 380/660 В переменного тока частотой 50 — 60 Гц при перегрузках и коротких замыканиях, а также для коммутаций с различной частотой включения. В этих выключателях применяется принудительное выключение тиристоров с помощью схемы принудительной коммутации (рис. 9.1.12). Основной тиристор VS1 серии Т-160 управляется импульсами от генератора повышенной частоты (на рисунке не показан). Выключение тиристора VS1 производится разрядом конденсатора С через коммутирующий тиристор VS2. Последний включается от напряжения коммутирующего конденсатора С через маломощный тиристор VS3,

что обеспечивает снижение мощности схемы управления. Конденсатор С заряжается от напряжения сети через трансформатор и диод VD1. Каждый выключатель состоит из трех силовых блоков с встречно-параллельно включенными основными тиристорами.

Благодаря использованию принудительной коммутации тиристоров защита от коротких замыканий осуществляется с ограничением тока в процессе отключения. На рис. 9.1.13 изображена осциллограмма отключения тока короткого замыкания тиристорным выключателем. Кривая 1 показывает нарастание тока короткого замыкания при отсутствии защиты, а кривая 2 — при отключении тиристорного выключателя схемой принудительной коммутации. Как видно из рисунка, в этом, случае нарастание тока короткого замыкания прерывается и максимальный ток i_max составляет не более 0, 02 — 0, 05 ударного тока короткого замыкания.

Устройства выходные (промежуточные реле). Схемы на рис. 9.1.9 широко используются в качестве коммутирующих устройств цепей управления исполнительных аппаратов (пускатели, контакторы, электромагниты, муфты и т. п.). Примером могут служить устройства выходные бесконтактные типа УВБ-11, которые предназначены для усиления выходных командных сигналов логических устройств и коммутации цепей нагрузки переменного и постоянного тока. Они рассчитаны на коммутацию цепей переменного тока до 6 А и напряжением до 380 В, цепей постоянного тока до 4 А и 220 В.

На рис. 9.1.14 приведена схема усилителя УВБ-11-19-3721, предназначенная для коммутации цепей переменного тока. В качестве коммутирующего элемента используется симистор VS типа ТС2-25, зашунтированный варистором R для защиты. от перенапряжений. Включение симистора осуществляется путем соединения его управляющего электрода с одним из силовых выводов с помощью контакта герконового реле К. Это реле одновременно осуществляет и гальваническую развязку входной и выходной цепей. Выключение сеимистора

 

 

Рис. 9.1.14. Усилитель УВБ-11-19-3721: а - условное обозначение; б - функциональная схема

 

при разомкнутом контакте К происходит самопроизвольно при первом переходе тока нагрузки через нуль. Для того чтобы схема управлялась логическими сигналами от других элементов, предусмотрен согласующий каскад на ИС типа К511ЛИ1, выход которого подключен к обмотке герконового реле К.

В усилителях, предназначенных для коммутации цепей нагрузки

 

постоянного тока, эта коммутация осуществляется тиристором, который выключается с помощью схемы принудительной коммутации, т. е. путем разряда на тиристор заряженного заранее конденсатора.

 

 

ЛЕКЦИЯ № 30

9.2. Микропроцессоры и электронные управляющие машины

 

9.2.1. Общие сведения.

9.2.2. Функциональная схема ЭВМ.

9.2.3. Электронные и микропроцессорные аппараты, их классификация и

физические явления в них.

9.2.4.Функциональная схема управления электродвигателем постоянного

тока с помощью микропроцессора.

 

Общие сведения

 

В настоящее время для улучшения технических характеристик, повышения надежности и сокращения времени монтажа аппараты автоматического управления и регулирования электрического привода выполняются в виде комплектных станций управления (КСУ). Эти станции проектируются по типовым схемам и собираются на заводе-изготовителе с применением наиболее высокопроизводительного оборудования, что ведет к сокращению материалоемкости и трудоемкости, позволяет быстро внедрять новейшие достижения науки и техники. КСУ создаются на базе либо традиционных электромагнитных аппаратов (автоматов, пускателей, контакторов, реле), либо дискретных полупроводниковых элементов, либо совместного использования и тех и других изделий. Для КСУ характерна фиксированная последовательность всех функциональных операций. Любое изменение поставленной ранее функциональной задачи требует перемонтажа принципиальной схемы КСУ и последующей наладки, что связано с затратами дополнительного труда и, времени. Поэтому создаваемые в настоящее время системы программного управления металлорежущими станками, роботами, технологическими процессами требуют наличия легко изменяемой программы управления.

Развитие полупроводниковой техники привело к созданию больших

 

 

Рис. 9.2.1. Функциональная схема ЭВМ

 

интегральных микросхем (БИС) с очень высокой степенью интеграции. БИС на одном кристалле имеют несколько десятков тысяч элементов и способны реализовать сложнейшие функции управления. Применение БИС в комплектных

 

устройствах автоматического управления создает исключительно широкие возможности в гибком изменении их программ, уменьшении габаритов, повышении надежности и долговечности. На основе БИС создаются микропроцессоры.

 

Функциональная схема ЭВМ

 

Рассмотрим основные узлы ЭВМ (рис.9.2.1). На вход ЭВМ могут подаваться результаты отдельных измерений,: электрические сигналы управления, числа для расчетов по известным формулам и др. Эти данные обрабатываются ЭВМ, и на ее выходе появляются результаты статистической обработки экспериментальных материалов, сигналы для управления силовыми электрическими аппаратами, результаты расчетов и т. п. В простейшем виде ЭВМ состоит из следующих основных узлов: арифметико-логического» устройства АЛУ, управляющего устройства УУ, запоминающего устройства ЗУ и периферийных устройств УВВ. АЛУ предназначено для выполнения арифметических операций сложения, вычитания, умножения и деления чисел, а также для осуществления логических операций И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ—НЕ, И—НЕ и др.

Управляющее устройство осуществляет управление работой всех остальных узлов, а также потоками информации внутри ЭВМ. Действия УУ определяются командами. Совокупность команд, которые должны быть выполнены для I решения поставленной задачи, называется программой. Запоминающее устройство ЗУ, или память машины, служит для хранения программ и обрабатываемой информации. ЗУ состоит из ячеек, каждая из которых содержит элементы памяти. В ЭВМ для расчетов и управления применяется двоичная система исчисления, основанием которой является цифра 2. Любое число в этой системе представляется так называемым словом, состоящим из логических нулей (0) и единиц (1). Элементы памяти выполняются на полупроводниковых триггерах, а ячейка — на регистрах, содержащих эти триггеры. Триггер хранит одну двоичную цифру—1 или 0. Чтобы ввести число в ячейку или извлечь ее содержимое, необходимо указать адрес этой ячейки.

Память делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ). С помощью ОЗУ в АЛУ и УУ вводятся внешние данные. В ПЗУ хранится программа операций.

Периферийные устройства представляют собой устройства ввода и вывода информации УВВ. В них осуществляется считывание данных с носителей и превращение этих данных в форму, требуемую для машины. В УВВ осуществляется также фиксация результатов работы ЭВМ в виде чисел текста на те­етайпе или в виде информации на экране электронно-лучевой трубки (дисплее).

Совокупность АЛУ и УУ является единым комплексом, который позволяет производить автоматическую обработку информации в соответствии с заданной программой. Эта совокупность называется центральным процессором машины или просто процессором.

Микропроцессор — это процессор, выполненный в виде одной или

 

нескольких БИС. Приставка «микро» обозначает высокую степень интеграции устройства, его малые габариты и массу. На вход микропроцессора через УВВ и ЗУ подаются управляющие сигналы и сигналы обратной связи в двоичном коде. По программе, заложенной в ЗУ, информация обрабатывается в АЛУ и на выходе появ­ляются сигналы, используемые для управления объектом.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: