Рубрики
Составляющие силовой электроники

Современные тенденции развития твердотельных реле

Современные тенденции развития твердотельных реле Александр Василенко В данной статье изготовлена попытка систематизировать выпускаемые на сегодня ТТР, показать конкретные трудности

Современные тенденции развития твердотельных реле Александр Василенко

В данной статье изготовлена попытка систематизировать выпускаемые на сегодня ТТР, показать конкретные трудности, возникающие у инженеров, использующих в собственных разработках реле на базе полупроводников, и привести советы по проектированию устройств с внедрением ТТР, основанные на исследовательских работах ЗАО «Электрум АВ». Изготовлен обзор многообещающих разработок в области ТТР, улучшающих их свойства и переводящих эти устройства в разряд умственных и применимых для новых применений.

С развитием силовой полупроводниковой электроники, т. е. с конца 60-х годов ХХ века, у инженеров, занятых в отрасли сверхтехнологичной индустрии, появилась возможность использовать в собственных разработках полупроводниковые реле, способные благодаря отсутствию механического контакта обеспечивать бездуговую коммутацию электронных цепей и тем увеличивать, как ожидалось, надежность и длительность эксплуатации средств связи, технологического оборудования, систем телемеханики, автоматического управления и т. д.

Благодаря развитию оптоэлектронных и магни-тоуправляемых полупроводниковых устройств, на сегодня сделаны технические решения, позволившие твердотельным реле (ТТР) догнать, а по неким характеристикам даже значительно затмить реле электрические.

Полупроводниковые и электрические реле коммутируют сопоставимые токи и напряжения и могут работать в фактически сравнимых спектрах температур, но при всем этом ТТР имеют свои особенности как при проектировании устройства, так и при его использовании. К огорчению, многие разработчики при неверном либо неискусном применении воспринимают их как недочеты и нередко прекращают внедрение твердотельных реле в собственных разработках.

В данной статье изготовлена попытка систематизировать выпускаемые на сегодня ТТР, показать конкретные трудности, возникающие у инженеров, использующих в собственных разработках реле на базе полупроводников, и привести советы по проектированию устройств с внедрением ТТР, основанные на исследовательских работах ЗАО «Электрум АВ». Изготовлен обзор многообещающих разработок в области ТТР, улучшающих их свойства и переводящих эти устройства в разряд умственных и применимых для новых применений.

Область внедрения твердотельных реле

Область внедрения твердотельного реле определяется типом полупроводникового прибора коммутирующего элемента: для коммутации цепей неизменного тока это полевые и IGBT-транзисторы, а коммутация переменного тока более отлично осуществляется c применением тиристорных структур. Если в качестве коммутирующего элемента употребляется полевой транзистор, то его проводящее свойство в замкнутом состоянии оцениваетсявеличиной электронного сопротивления; если же в качестве ключа употребляется IGBT-транзистор либо схема на тиристорах, то проводящие характеристики в замкнутом состоянии характеризуются величиной падения напряжения на нем. Обе эти величины, в общем случае, являются функцией протекающего через коммутирующий элемент тока и зависят от типа примененного полупроводникового прибора и его черт.

Когда коммутирующий элемент замкнут, он характеризуется наличием тока утечки и падением напряжения на нем в замкнутом состоянии, что накладывает ограничение при определении нижних уровней коммутируемых токов и напряжений. Обычно, при переменном токе нижний уровень коммутируемого тока не должен быть меньше десятикратной величины тока утечки, а малое коммутируемое напряжение должно быть не меньше десятикратной величины падения напряжения на тиристоре для поддержания малого тока удержания и отсутствия эффекта случайного выключения тиристора. При коммутации неизменного тока, если употребляется MOSFET- либо IGBT-транзистор, эта неувязка не играет настолько значимой роли, и потому нижние уровни тока и напряжения приближены к нулю.

Для правильного и неопасного использования ТТР важное значение, вместе с номинальными чертами, имеют свойства перегрузки его коммутирующего элемента. Показателем возможности перегрузки коммутирующего элемента является возможность в течение определенного времени при нормированной температуре корпуса и среды выдерживать краткосрочное повышение тока через коммутирующий элемент без его повреждения. Так, к примеру, если в качестве коммутирующего элемента употребляется схема на тиристорах, то для их перегрузочная способность равна десятикратному превышению тока при продолжительности импульса 10 мс. Если же в качестве ключа употребляется IGBT-транзистор, то он способен в течение 10 мкс выдержать фактически куцее замыкание, но стопроцентно не способен выдержать сколько-либо важное перенапряжение коллектор-эмиттер.

Также в реальных критериях работы ТТР подвергается воздействию импульсов напряжения с высочайшей скоростью конфигурации фронтов du/dt. И если транзистор можно считать малочувствительным к этому эффекту (современный уровень технологии производства MOSFET и IGBT позволяет изготовлять транзисторы с du/dt более 4-6 В/нс), то при использовании тиристоров возникает опасность самопроизвольного включения коммутирующего элемента при определенных скоростях конфигурации напряжения в нагрузке. Производители ТТР указывают величину du/ dt, при которой самопроизвольного включения реле не происходит, как правило это значение лежит в спектре 300-500 В/мкс.

При оценке нужного быстродействия твердотельного реле необходимо принимать во внимание характеристики и характеристики всех технических средств, использованных в его конструкции; учесть быстродействие только самого силового коммутирующего элемента не совершенно правильно. Обычно, в ТТР для коммутации переменного тока устанавливают спектр рабочих частот 40-400 Гц, что дает возможность использовать эти реле как в индустрии, так и для подвижных объектов, где применение источников электропитания на 400 Гц более желательно. Из всего произнесенного вытекает, что внедрение ТТР на более-менее сильную нагрузку накладывает ограничение на сопоставимость работы в реальных электронных схемах в связи с наличием переходных процессов и инерционности тех исполнительных устройств, цепи управления которых коммутирует ТТР. Это, обычно, электродвигатели, электрические клапаны и муфты, различные нагревательные приборы и лампы накаливания. В общем, временной спектр, характеризующий быстродействие ТТР, очень широкий: от единиц микросекунд до 10-ов миллисекунд.

И, пожалуй, самый основной критерий, с которым нужно считаться при выборе твердотельного реле: ТТР при работе выделяет тепло, которое нужно отводить для обеспечения работоспособности реле и сохранения его черт. Как следует, при использовании ТТР всегда нужно проводить термический расчет с целью выбора нужных и достаточных средств остывания. Обычно, производители твердотельных реле указывают в собственной документации всю нужную информацию для проведения термического расчета и даже более того, предоставляют возможность приобрести вместе с реле тот охладитель, который будет обеспечивать нормальную бесперебойную работу реле с чертами, надлежащими документации на него.

На основании представленных данных можно сконструировать главные области внедрения для твердотельных реле:

  • Маломощные реле, предназначенные, обычно, для монтажа на интегральную схему, с коммутируемыми токами до 5 А. Такие реле, обычно, производятся на MOSFET-или IGBT-транзисторах и созданы для коммутации неизменного тока в разных схемах согласования входных цепей силовых машин, различного рода контроллеров с промежными исполнительными механизмами. Для этих реле типично очень высочайшее быстродействие (прямо до единиц микросекунд), низкая энергоемкость управления, способность выдерживать долгий номинальный ток без внедрения дополнительных средств остывания.
  • Реле средней мощности с коммутируемыми токами в несколько 10-ов ампер и большой мощности с коммутируемыми токами до 320 А, созданные для монтажа на панель. Эти реле, зависимо от применяемого полупроводникового элемента, коммутируют неизменный (MOSFET-или IGBT-транзисторы) либо переменный ток (тиристорные структуры). Реле, выполненные на MOSFET- либо IGBT-транзисторах, способны выдерживать пиковое напряжение (с учетом вероятных перенапряжений) для MOSFET до 400 В, а для IGBT — до 1700 В с номинальными токами до 320-400 А. Реле, выполненные с внедрением тиристоров, способны выдерживать пиковое напряжение до 1600 В с коммутируемыми токами до 320 А переменного однофазового тока и до 120 А переменного трехфазного тока, с высочайшей устойчивостью к нарастаниям тока и напряжения. При использовании реле этой группы на номинальные токи для поддержания температурного режима и предотвращения выхода из строя их нужно устанавливать на охладители.

Расчетные соотношения

Исходя из перечисленных выше суждений, по условиям работы ТТР и чертам, влияющим на надежность работы, можно выделить три локальных фактора, которые нужно учесть при выборе и эксплуатации реле и верный расчет которых поможет избежать подавляющего числа отказов при эксплуатации ТТР:

  • перенапряжение;
  • перегрузка по току;
  • перегрев реле из-за недостающего отвода тепла.

Перенапряжение

При эксплуатации фактически хоть какого оборудования появляются колебания напряжения в электронной сети. Обычно, перенапряжения появляются при пуске и останове электродвигателей, массивных нагревателей, контакторов, массивных тиристорных регуляторов и т. д. Превышение пробивного напряжения практических всех полупроводниковых устройств, применяемых в качестве силового ключа в реле, приводит к его выходу из строя и разрушению. Как следствие, нужно защищать выходные цепи ТТР от перенапряжений. Существует два главных метода защиты: механизм фиксации пробивного напряжения с внедрением стабилитронов и варисторов; механизм шунтирования защищенных цепей, представляющих из себя, обычно, комбинацию силового элемента (тиристора, IGBT- либо MOSFET-транзистора) со стабилитроном в цепи управления силовым элементом.

Обычно, производитель закладывает в свои реле механизм шунтирования нагрузки, и если при эксплуатации нагрузка, которую коммутирует реле, допускает краткосрочные скачки тока при перенапряжении, то, вне зависимости от величины энергии перенапряжений, можно ограничиться этой защитой; если же нагрузка не допускает отработки перенапряжений, то нужно использовать механизм фиксации напряжения при помощи стабилитрона либо варистора. Необходимо подчеркнуть, что варистор позволяет рассеивать намного огромные мощности, чем стабилитрон, но при чрезвычайно насыщенных режимах перенапряжений для него свойственна деградация черт.

Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольт-амперная черта (рис. 1).

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 1. Обычная ВАХ варистора

При появлении импульса напряжения варистор в силу нелинейности собственной свойства резко уменьшает свое сопротивление до толикой Ом и шунтирует нагрузку, параллельно которой он включен, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В данном случае через варистор краткосрочно может протекать ток, достигающий нескольких тыщ ампер. Потому что варистор фактически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень огромное сопротивление. Таким макаром, включение варистора параллельно электрическому оборудованию не оказывает влияние на его работу в обычных критериях, но «срезает» импульсы небезопасного напряжения.

Одной из черт варистора является классификационное напряжение Ura — это напряжение при определенном токе. Обычно, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1 мА.

В Рф более общее создание компактных варисторов скооперировано в ОАО «Ухтинский завод «Прогресс». Защитные варисторы типов ВР-1; ВР-2; СН2-1; СН2-2 имеют классификационные напряжения в спектре 68-1500 В (1кл = 1 мА), энергию рассеивания 10-508 Дж и коэффициент нелинейности >30 (>22 для ВР-1).

Расчет рабочего режима варистора для защиты с его помощью ТТР, в силу его высочайшей нелинейности, не является очевидной задачей. Цель такового расчета — лучший выбор значения классификационного напряжения варистора. Важным параметром при всем этом является рабочий ток, который должен быть наименьшим и не приводить к перегреву варистора. С другой стороны, при очень малом рабочем токе варистора возрастает напряжение, ограничиваемое им при появлении импульса напряжения, и варистор, на самом деле, не будет делать свою основную функцию: на силовой ключ, который он должен защищать, будет повлиять очень огромное перенапряжение, способное вывести реле из строя.

Выбор типа применяемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на базе анализа работы в 2-ух режимах: рабочем и импульсном.

Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении (согласно данным, приведенным в технической документации на применяемый варистор) такового классификационного напряжения, для которого долгое наибольшее напряжение на нагрузке более близко к табличному значению, но не превосходит его.

Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете наибольшей моментальной энергии по формуле (1):

E = (ρ*tgφ)/(2π*f*η), (1)

где: E — наибольшая моментальная энергия (Дж); Р — номинальная мощность нагрузки (Вт); f— частота коммутируемой нагрузки (Гц); η — КПД коммутируемой нагрузки.

На основании приобретенного значения из технической документации выбирают тип варистора, способный рассеивать мощность, выделяющуюся при перенапряжении.

Вместе с варисторами в качестве элемента, реализующего механизм фиксации перенапряжения, употребляют полупроводниковые ограничители — так именуемые TVS-диоды. Они фиксируют данный уровень напряжения на защищаемом устройстве. При превышении рабочего напряжения происходит обратимый лавинный пробой диодика, он перебегает в состояние с низким динамическим сопротивлением. В этом состоянии диодный ограничитель отводит импульсный ток перегрузки от защищаемого объекта и поглощает выбросы напряжения, превосходящие напряжение пробоя. Время реакции на перенапряжение составляет несколько наносекунд (находится в зависимости от конструкции), импульсный ток — до сотен ампер, импульсная мощность — более 1 кВт, фиксируемое напряжение 3-440 В, емкость наименее 50 пФ. Значимым преимуществом TVS-диодов перед варисторами будет то, что полупроводниковые диодные ограничители не подвержены деградации при использовании и фактически имеют неограниченный срок службы. Недочет TVS-диодов — наименьшие уровни напряжения ограничения, наименьшие значения номинального импульсного тока и относительно высочайшая цена.

3-ий вариант защиты реле от перенапряжений — внедрение RC-цепей. Вместе с индуктивностью питающих проводов RC-цепь представляет собой LRC-фильтр, защищающий силовой элемент реле.

Он обеспечивает лучшую фильтрацию, но на резонансной частоте LC-фильтра на выходе амплитуда напряжения имеет огромную величину, чем при его отсутствии, потому поочередно с емкостью фильтра включают резистор для ограничения напряжения поблизости резонансной частоты.

Применение RC-цепей для защиты от перенапряжений имеет свои значительные недочеты. RC-цепь представляет собой интегрирующую цепочку. Соответственно, понижая импульс по амплитуде, она наращивает его по продолжительности, вследствие чего энергия импульса остается на том же уровне. Очередной недочет RC-цепей состоит в том, что с повышением тока нагрузки более 10 А огромные значения емкости приводят к необходимости установки дорогих и огромных по габаритам конденсаторов. Действенным является внедрение RC-цепей в совокупы с варистором.

ЗАО «Электрум АВ» освоен выпуск частей защиты для ограничения выбросов и/либо скорости нарастания напряжений, небезопасных для полупроводниковых устройств в сетях переменного и неизменного тока. Элементы защиты могут содержать в собственном составе варисторы, RC-цепи и полупроводниковые диодные ограничители напряжения. Они делаются в различных конструктивных исполнениях — зависимо от типа корпуса, типа питающего напряжения (неизменного либо переменного) и его уровня, также величины тока, протекающего через прибор.

Перегрузка по току

Очень немногие виды нагрузок ТТР можно именовать чисто активными и неспособными к различного рода броскам тока. Для широкого класса нагрузок можно отметить последующие величины перегрузок:

  • чисто активные нагрузки (обычно, безындуктивные нагреватели) имеют мало вероятные скачки тока, которые может быть убрать, используя реле с контролем перехода фаз через ноль;
  • электродвигатели имеют 8-10-кратную перегрузку за период до 0,5 с;
  • высокоиндуктивные нагрузки с насыщающимися сердечниками (массивные трансформаторы) имеют скачки тока, в 30-40 раз превосходящие номинальный при продолжительности до 0,3 с;
  • лампы накаливания и галогенные лампы имеют при прохладном включении ток, в 6-12 раз превосходящий номинальный рабочий и спадающий экспоненциально за 0,1 с;
  • емкостные нагрузки, включающиеся в фазе напряжения, близкой к 90°, имеют ток, в 20-40 раз превосходящий номинальный, в течение 20-50 мс.

Нередкие перегрузки такового рода существенно уменьшают срок службы ТТР. Из этого следует, что при разработке нового устройства с ТТР нужно кропотливо изучить свойства нагрузки на предмет появления моментальных токовых перегрузок и на основании этого выбирать реле с подходящим припасом по мощности и способностью выдерживать нужный уровень перегрузок.

Способность ТТР выдерживать токовые перегрузки охарактеризовывают величиной «пикового» либо «ударного» тока: это способность выдерживать определенную величину перегрузки в течение данного интервала времени, обычно, 10 мс.

ТТР для коммутации переменного тока на базе тиристорных структур имеют величину ударного тока, в 10 раз превосходящую величину номинального тока в течение 1-го полупериода питающей сети. При всем этом нужно учесть, что количество таких перегрузок ограничено: обычно, допускается менее 100 таких перегрузок в течение всего срока эксплуатации прибора, потому неприемлимо внедрение реле в критериях, когда перегрузки такового рода являются частью штатного режима эксплуатации.

ТТР для коммутации неизменного тока не имеют таковой перегрузочной возможности, потому что, в главном, построены с внедрением MOSFET- либо IGBT-транзисторов, номинал которых, обычно, рассчитан только с 20%-ным припасом по неизменному току при нормированной температуре среды. Величина ударного тока для таких реле, обычно, приравнивается 3-кратному превышению номинального тока в течение 10 мс.

Для токовой перегрузки случайной продолжительности, обычно, пользуются эмпирической зависимостью: при увеличении продолжительности перегрузки на порядок величина «ударного» тока должна быть снижена вдвое.

Для предотвращения выхода из строя ТТР из-за появления сверхтока в цепи нагрузки и для защиты нагрузки рекомендуется использовать быстродействующие полупроводниковые предохранители. Они способны защитить реле и коммутируемую нагрузку от выхода из строя за счет очень низкого времени срабатывания (менее 2 мс), что не позволяет развиться току недлинного замыкания до критичной величины, способной повредить полупроводник. Такие предохранители, непременно, дорогостоящие, но если главное значение имеет защита устройства от разрушения, то разработчикам приходится мириться с высочайшей ценой, потому что эти издержки в любом случае неоднократно меньше, чем цена всего прибора.

Перегрев

Снова подчеркнем: твердотельное реле при собственной работе выделяет тепло, которое нужно отводить для обеспечения его работоспособности и сохранения черт. Как следует, при выборе реле нужно полностью точно знать, сколько мощности будет уходить на теплопотери, к какому перегреву реле эти утраты приведут и как мы собираемся уменьшить перегрев реле, чтоб оно не вышло из строя, т. е. нужно провести верный высококачественный и количественный термический расчет.

Обычная конструкция хоть какого силового полупроводникового прибора, будь то диодик, транзистор либо твердотельное реле, показана на рис. 2. Силовой элемент реле — j (junction), будь то тиристор либо транзистор, установлен на теплопроводящую поверхность корпуса с (case) прибора, именуемого радиатором. Температура перехода силового элемента реле и температура радиатора не равны друг дружке, потому меж переходом ключа и радиатором имеется некое термическое сопротивление Rth-jc (термическое сопротивление «кристалл-корпус»). Величина этого сопротивления для определенного ТТР приводится в его паспортных данных.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 2. Пояснение с термическому расчету ТТР

Радиатор ТТР прилегает к охладителю s (silk heat). Меж радиатором и охладителем также имеется некое термическое сопротивление Rth-cs (термическое сопротивление «радиатор-охладитель»). Его величину выяснить несколько труднее: она находится в зависимости от состояния прилегающих поверхностей, от наличия либо отсутствия электроизоляционной подложки меж корпусом и радиатором. С большой степенью точности узкой прокладке меж радиатором и охладителем можно сравнить модель неограниченной плоской однородной стены. В таком случае термическое сопротивление радиатор-охладитель Rth-cs можно вычислить по формуле (2):

Rth-cs = δp/(λ*Sρ), (2)

где δp — толщина прокладки; λ — коэффициент теплопроводимости, Вт/(м-°С); Sp — площадь одной стороны прокладки.

В текущее время в качестве теплопро-водящих электроизоляционных материалов самыми всераспространенными являются тепло-проводящие пасты типа КПТ-8, для которых коэффициент теплопроводимости равен 0,70,75 Вт/(м-°С).

Термическая энергия должна рассеиваться в окружающую среду, обозначенную на рисунке буковкой а (ambient). Потому для выполнения расчета следует знать термическое сопротивление Rth-sa (термическое сопротивление «охладитель-среда»), которое указывается производителем в паспортных данных на изделия. Поверхность охладителя, обычно, контактирует с воздухом, теплопроводимость которого невысока. Воздух вокруг радиатора прогревается отлично, потому для понижения термического сопротивления «охладитель-среда» используют принудительную вентиляцию.

На основании приведенной конструкции можно выстроить типовую термическую модель, представленную на рис. 3.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 3. Термическая модель ТТР

На основании приведенной модели можно составить выражение для определения температуры перехода полупроводникового прибора:

Tj = Ta+(Rth_jc+Rth_cs+Rth_sa)*Pn, (3)

где Pn — мощность утрат, рассеиваемых ТТР; Tj — наибольшая температура перехода силового элемента ТТР, которую производитель, обычно, показывает в технической документации на реле; Ta — температура среды, при которой подразумевается эксплуатировать реле.

Таким макаром, на основании вышеприведенных допущений, термический расчет сводится к определению мощности утрат, выделяющихся на переходе силового ключа ТТР, термического сопротивления «охладитель-среда» Rth-sa и необходимости его обдува воздухом.

Мощность утрат Рп состоит из 2-ух составляющих:

Рn = Рстат +Рдин , (4)

где Рстат — мощность статических утрат во включенном состоянии; Рдин — мощность динамических утрат при переключении. Как следует, нужно произвести расчет и статических, и динамических утрат.

Расчет мощности статических утрат во включенном состоянии определяется типом коммутирующего элемента, использованного в ТТР. Если в качестве силового ключа в реле употребляется MOSFET-транзистор, то мощность статических утрат определяется по формуле:

Рстат = I2ком*Rотк (5)

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Котк — сопротивление ТТР в открытом состоянии.

Если в качестве силового ключа в реле употребляется IGBT-транзистор либо тиристор, то мощность статических утрат определяется по формуле:

Рстат = Iком*Uост (6)

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Uост — остаточное падение напряжение на ключе во включенном состоянии.

Для импульсного режима нужно учитывать скважность. Для прямоугольных импульсов формула смотрится так:

Современные тенденции развития твердотельных реле

где Iком — действующее значение тока, коммутируемого ТТР; Iком пик — пиковое значение коммутируемого тока; γ — скважность.

Для другой формы импульсов нужно взять формулу для определения действующего значения тока из справочной литературы.

2-ая составляющая формулы (4) Рдин обуславливается тем, что во время переключения силовой элемент ТТР находится в активном состоянии и на нем выделяется мощность утрат. Мощность утрат переключения выделяется только во время переходных процессов и линейно находится в зависимости от частоты переключения ТТР. Среднюю мощность утрат в установившемся режиме работы можно вычислить через энергию и частоту переключения:

Рдин = Епер·fком (8)

Энергию переключения в общем случае при неравенстве времени включения и выключения можно найти по последующей формуле:

Современные тенденции развития твердотельных реле

С учетом того, что наибольшая мощность рассеивается на переходе, когда падение напряжения на силовом ключе равно коммутируемому напряжению, расчет динамических утрат мощности при переключении проводят по формуле:

Современные тенденции развития твердотельных реле

где Uкомmах — амплитудное значение коммутируемого напряжения; Iкомmах — амплитудное значение коммутируемого тока; tпep — время переключения; tвкл — время включения; tвыкл — время выключения; fком — частoта коммутации.

Таким макаром, типовая структура термического расчета смотрится последующим образом:

  1. Делается расчет мощности статических утрат на переходе: для ТТР на MOSFET расчет делается по формуле (5), для ТТР на IGBT либо тиристоре — по формуле (6).
  2. Делается расчет мощности динамических утрат переключения по формуле (10).
  3. По формуле (4) определяется полная мощность, рассеиваемая на ключе.
  4. Определяется термическое сопротивление охладителя из формулы (3):

    Современные тенденции развития твердотельных реле

  5. На основании приобретенной величины выбирается охладитель, удовлетворяющий условию: при работе ТТР на нагрузку наибольшая температура перехода силового элемента реле не должна превосходить критичную величину разрушения полупроводника.

Твердотельное реле должно быть умственным

Трудности, возникающие при эксплуатации, связаны с реально имеющейся возможностью выхода реле из строя и неоднозначностью при выборе и проектировании устройств с внедрением ТТР. Это наводит на полностью закономерный вопрос: а не есть ли реле, которые могли бы сами себя защищать от выхода из строя при маленьком замыкании, перенапряжении либо перегреве? Ведь внедрение схожих реле способно существенно облегчить жизнь хоть какому разработчику: появления какой-нибудь нештатной ситуации, не предусмотренной разработчиком и заранее приводящей к «поломке» применяемого ТТР, при «успешном» стечении событий не избежать, но ТТР с умственной защитой не допустит выхода из строя не только лишь самого силового элемента применяемого ключа, да и устройства, в составе которого это реле применяется.

Инженерами ЗАО «Электрум АВ» проводится масштабная работа по разработке и внедрению ТТР с защитой различного рода и уровня трудности, которая позволила бы сделать на базе этих реле устройства с уровнем безотказности нового порядка.

Так, а именно, налажено создание реле неизменного тока с защитой от недлинного замыкания. Разглядим функционирование и свойства этого нового класса реле на примере МТ14ПТА-240-1. Это твердотельное реле с трансформаторной развязкой, на базе MOSFET-транзистора, для коммутации неизменного долгого тока до 240 А, с наибольшим пиковым напряжением коммутации 100 В, с малым током и временем включения/выключения, с защитой от недлинного замыкания. Многофункциональная схема реле приведена на рис. 4.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 4. Многофункциональная схема МТ14ПТА-240-1

В состав реле D входят: генератор — функционально это задатчик, формирующий прямоугольные импульсы, поступающие на первичную обмотку развязывающего трансформатора при подаче входного управляющего напряжения; Тр — трансформатор, выполняющий функции передачи управляющих сигналов и осуществляющий гальваническую развязку меж входной и выходной цепью; схема управления — схема, управляющая затвором силового транзистора и осуществляющая обработку сигнала о токе, протекающем в силовой цепи; В — блок активной защиты, обеспечивающий ограничение напряжения на стоке транзистора на уровне менее Uогр; Rизм — токоизмерительный шунт; Т — силовой ключ; два светодиода: «Упр» — сигнализирующий о том, что на вход реле подано управляющее напряжение, и «КЗ» — сигнализирующий о наличии недлинного замыкания в силовой цепи.

При подаче управляющего напряжения генератор сформировывает управляющие импульсы, поступающие на трансформатор Тр и дальше на схему управления, зажигается зеленоватый светодиод «Упр», свидетельствующий о том, что реле включено. Схема управления сформировывает импульс, поступающий на затвор силового транзистора Т, силовой транзистор раскрывается, и в цепи нагрузки начинается протекание тока, который измеряется при помощи резистора Rизм и контролируется схемой управления. При превышении коммутируемого тока выше 1з происходит срабатывание защиты, зажигается красноватый светодиод «КЗ», силовой транзистор Т запирается в течение времени t2, равного 10 мкс (рис. 5). Через время перезапуска t1 = 20 мс схема управления снимает запрет работы и открывает силовой транзистор Т. Если куцее замыкание не устранено, то схема управления вновь его определяет и отключает силовой транзистор. Данный процесс длится до того времени, пока неисправность не будет устранена.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 5. Диаграмма функционирования МТ14ПТА-240-1

Номенклатура ТТР неизменного тока с защитой от недлинного замыкания производства ЗАО «Электрум АВ» содержит в себе модификации реле на токи 2,5-320 А, на напряжения 40-1200 В, в корпусах для монтажа на интегральную схему и на панель.

Последующим представителем умственных реле производства «Электрум АВ» является трехфазное реле переменного тока с защитой от перегрева. Разглядим функционирование этого типа реле на примере М026МА-120-12-Т.

Данное реле представляет собой оптотири-сторный модуль (твердотельное полупроводниковое оптоэлектронное трехфазное реле переменного тока с «нормально разомкнутыми» контактами с контролем перехода фазы через «ноль») с функциями защиты силовых частей от перегрева и создано для коммутации нагрузок в цепях переменного тока частотой 50-400 Гц.

На рис. 6 приведена многофункциональная схема реле, в состав которого входят: оптронная схема управления тиристорами; пара встречно-параллельно включенных тиристоров по каждой фазе коммутации; терморезистор, установленный на радиатор в конкретной близости к силовым тиристорам; схема обработки инфы о температуре и блокировки силовых тиристоров.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 6. Многофункциональная схема МО26МА-120-12- Т

На рис. 7 приведена диаграмма функционирования М026МА-120-12-Т. При подаче управляющего напряжения на вход реле зажигается зеленоватый светодиод «Упр», происходит коммутация силовых тиристоров. При работе реле происходит его разогрев. Если из-за недостающего теплоотвода либо по другой причине температура реле превосходит предельное значение, происходит отключение модуля, зажигается красноватый светодиод «Перегрев». При падении температуры реле ниже предельного значения минус значение гистерезиса δТ происходит снятие блокировки работы тиристоров, и модуль продолжает свое обычное функционирование. Таким макаром, наличие температурной защиты предутверждает выход из строя реле при некорректно проведенном термическом расчете либо ухудшении критерий эксплуатации устройства.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 7. Диаграмма функционирования МО26МА-120-12-Т

Номенклатура ТТР данного типа представлена сейчас реле на токи 25-120 А и наибольшее пиковое напряжение на выходе в закрытом состоянии 1200 В. Реле делаются в корпусах для монтажа на панель.

Также ЗАО «Электрум АВ» создано твердотельное реле, осуществляющее защиту от превышения тока, обрыва фазы нагрузки и перегрева модуля. Разглядим функционирование данного реле на примере МО8МА-63-12-Т — это однофазовый оптотиристорный модуль переменного тока с защитой от перегрузки, обрыва фазы и перегрева.

На рис. 8 приведена многофункциональная схема М08МА-63-12-Т, в состав которого входят последующие элементы: оптронная схема управления 2-мя встречно-параллельно включенными тиристорами; силовые тиристоры, расположенные на радиаторе модуля; терморезистор R, расположенный на радиаторе модуля в конкретной близости от силовых тиристоров; токоиз-мерительный шунт Rизм в цепи протекания тока нагрузки; активный выпрямитель-усилитель VD для обработки сигнала с токоизмерительного шунта Rизм; схема блокировки, которая обрабатывает сигнал с терморезистора R и выпрямителя VD и выдает управляющий сигнал, блокирующий работу тиристоров при пришествии аварийного режима; оптрон статуса ошибки, выход которого гальванически изолирован от входной цепи управления и силовой части устройства; два светодиода: «Упр», сигнализирующий о том, что на вход реле поданы управляющие сигналы, и светодиод «Катастрофа», сигнализирующий об аварийном режиме работы реле.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 8. Многофункциональная схема МО8МА-63-12- Т

На рис. 9 приведена диаграмма функционирования ТТР М08МА-63-12-Т, поясняющая режимы работы реле. При подаче на вход реле управляющего напряжения зажигается зеленоватый светодиод «Упр», оптрон-ная схема управления открывает тиристоры, в силовой цепи начинает протекать ток нагрузки. Если секундное значение тока нагрузки превосходит порог срабатывания защиты I , зажигается красноватый светоди-од, схема блокировки выдает запрещающий сигнал, в течение 10 мс оптронная схема управления выключает тиристоры, ток в цепи нагрузки перестает течь, раскрывается оптрон статуса ошибки. Выход из этого аварийного режима работы произойдет исключительно в случае перезапуска управляющего напряжения.

Современные тенденции развития твердотельных реле

Рис. 9. Диаграмма функционирования МО8МА-63-12-Т

Если температура реле превзойдет температуру срабатывания защиты от перегрева, срабатывание защиты аналогично режиму срабатывания защиты при маленьком замыкании. Если предпринимается попытка пересброса реле по входу управления до того, как модуль охладился ниже температуры срабатывания термический защиты реле, схема блокировки определяет, что реле недостаточно охлаждено, и воспрещает его работу.

При обрыве в цепи нагрузки схема блокировки определяет отсутствие тока через нагрузку, и срабатывание защиты также аналогично режиму срабатывания защиты при маленьком замыкании.

Наличие статуса ошибки позволяет организовать дополнительные режимы работы реле. При срабатывании защиты в итоге моментального скачка тока в нагрузке выше уровня тока срабатывания защиты либо перегрева модуля в итоге долговременной работы в предельном режиме функционирования без соответствующего остывания имеется возможность организации принудительного пересброса реле при помощи сигнала с оптрона статуса ошибки. При обрыве в цепи нагрузки с его помощью можно организовать сигнализацию об обрыве в цепи нагрузки либо выходе из строя самой нагрузки.

Номенклатура ТТР данного типа представлена сейчас реле на токи 25-320 А и наибольшее пиковое напряжение на выходе в закрытом состоянии 1200 В. Реле делаются в корпусах для монтажа на панель. Реле с спектром коммутируемых токов 25-80 А производит измерение протекающего в цепи нагрузки тока при помощи встроенного токоизмерительного шунта, реле с спектром коммутируемых токов 100-320 А производит измерение протекающего в нагрузке тока при помощи специально поставляемого в комплекте с реле датчика тока, который устанавливается на силовую шину в цепи нагрузки.

Заключение

Необходимость уменьшать себестоимость изделий, наращивать надежность и производительность, также увеличивать энергоэффективность и экономичность просит от разработчиков отменно новых способов проектирования с внедрением более многофункциональных компонент и элементной базы. Возникновение на рынке ТТР, выполняющих новые для этого класса частей функции и позволяющих выстроить на их базе более действенные устройства, существенно расширяет область внедрения ТТР и закладывает новые горизонты развития в области силовой полупроводниковой электроники.