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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Aplicação de relés optoeletrônicos de estado sólido de média potência. Data de referência
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Materiais de referência O artigo apresenta algumas características dos relés optoeletrônicos de média potência produzidos pela CJSC "Proton-Impulse". As informações fornecidas serão úteis para todos os leitores que usam ou desenvolvem vários interruptores de circuito de potência de tiristores e transistores. A tabela dá uma ideia do sistema de designação e da gama de relés produzidos.
Informações mais detalhadas sobre eles podem ser encontradas no site do fabricante. . Todos os relés optoeletrônicos podem ser divididos em dois grupos principais: CA com elementos de potência em triacs e trinistores, unipolar e bipolar CC com IGBTs ou MOSFETs em circuitos de potência. Sua diferença fundamental é que os relés CA são caracterizados por controlabilidade parcial - o circuito de energia sempre interrompe apenas na corrente zero. Isso cria certas vantagens para cargas indutivas, eliminando os impulsos de sobretensão que ocorrem ao desligar. É muito difícil usar esses relés em circuitos CC. Mas os relés CC bipolares são capazes de alternar a corrente alternada. Um dos critérios para a escolha de um relé para uma determinada aplicação pode ser a potência dissipada em seu elemento de potência. Ao operar em circuitos CA com tensão de 220 ... 380 V e correntes de mais de alguns amperes, os tiristores são 3 ... 5 vezes melhores que os IGBTs neste indicador. A relação de potência dissipada por IGBTs e MOSFETs é aproximadamente igual ao valor numérico da corrente em ampères. RELÉ CA Entre os relés tiristores existem relés monofásicos normalmente fechados e normalmente abertos para corrente 1...100A; trifásico normalmente aberto para corrente 10 ... 100 A; monofásico, bifásico e trifásico reversível para corrente 10...40 A com proteção integrada contra curto-circuito fase-fase e reversão instantânea; dual para corrente de 1 A ou mais com controle independente, com e sem ponto comum na saída. A classe do relé de acordo com a tensão de ruptura da saída pode ser do quarto (pelo menos 400 V) ao décimo segundo (pelo menos 1200 V) e o valor de pico permitido da tensão de isolamento entre os circuitos de entrada e saída de corrente e o dissipador de calor é 1500 ou 4000 V. O relé com índice TM permite o controle da fase zero da tensão chaveada (ligam somente quando o valor instantâneo desta tensão está próximo de zero, o que reduz a interferência gerada). Os relés com o índice TC não possuem esta propriedade. Os circuitos de controle do relé são de corrente (Fig. 1, a, corrente nominal - 10 ... 25 mA) ou potencial (Fig. 1, b - tensão constante 4 ... 7 ou 3 ... 30 V, Fig. 1, c - variável 6..30 ou 110...280 V). Com controle de corrente, são produzidos apenas relés monofásicos e de dois canais, com potencial - de todos os tipos. Em várias modificações, o lugar do resistor R1 (ver Fig. 1,6 e c) pode ser ocupado por um estabilizador de corrente, e o capacitor de "quenching" C1 (ver Fig. 1, c) pode estar ausente. Se o relé (por exemplo, polifásico) tiver vários diodos emissores, eles podem ser conectados em série ou em paralelo.
As estruturas do tiristor são muito sensíveis a exceder a tensão permitida, o que leva a quebras irreversíveis. A principal técnica para proteger a saída do relé é desviá-la com um varistor. Os varistores CH2-1, CH2-2 são recomendados com um coeficiente de não linearidade superior a 30 e uma energia de dissipação de 10 ... 114J. Ao escolher, deve-se partir do fato de que a tensão de classificação do varistor (na qual a corrente atinge 1 mA) deve exceder o valor da amplitude do comutado e ser menor que a tensão de ruptura dos tiristores. É necessário levar em consideração a possível instabilidade e variação tecnológica desses parâmetros. Ceteris paribus, a comutação de corrente mais alta requer relés de uma classe de tensão mais alta. Isso se deve à dependência da tensão do varistor de saída. Outra característica das estruturas dos tiristores é a sensibilidade à taxa de aumento de tensão (dU/dt) aplicada a um dispositivo fechado. Exceder a velocidade crítica leva à sua abertura não autorizada. Grandes valores de dU/dt são possíveis quando a tensão é aplicada ao circuito de carga em um momento próximo ao máximo da senóide. Eles podem ser causados por ruído de impulso no circuito comutado ou picos de tensão quando o circuito de carga é interrompido de natureza indutiva. Para reduzir dU / dt e evitar consequências indesejáveis, as saídas dos relés tiristores são desviadas com circuitos RC de amortecimento, cujos valores dos elementos são selecionados experimentalmente. Normalmente, eles estão na faixa de 20 ... 50 ohms e 0,01 ... 0,1 μF. Um meio adicional de aumentar a resistência do relé a surtos de tensão é um reator de retardo conectado em série com a carga. É um indutor enrolado em um núcleo magnético com alta permeabilidade magnética e um loop de histerese retangular. Nas correntes de operação, o circuito magnético está saturado, a indutância do reator é pequena e não afeta os processos em andamento. A indutância que cresce com a diminuição da corrente retarda sua mudança e retarda a reversão da tensão, ajudando a fechar o tiristor. Ao reduzir a taxa de aumento de corrente no estágio inicial de ligar o tiristor, o reator contribui para uma distribuição mais uniforme da corrente na seção transversal do cristal semicondutor, o que evita o superaquecimento local. Isso é especialmente importante quando o relé com o índice TC opera em uma carga capacitiva ou ativa ou no modo de controle de potência de pulso de fase. Além disso, o reator, ao aumentar a impedância do circuito de carga, aumenta a eficiência da proteção do varistor. Para tiristores operando em carga indutiva, existe o perigo de sobrecorrente devido à assimetria dos momentos de ativação nos semiciclos positivo e negativo, levando ao aparecimento de um componente constante da corrente que flui, saturação da carga circuitos magnéticos e, consequentemente, a sobrecorrentes. A sobrecarga de corrente também está associada à saturação dos circuitos magnéticos de cargas indutivas (transformadores inativos, enrolamentos de controle de contatores) quando a direção de seu residual e corrente gerada no momento da magnetização é ligada. A corrente de partida causada por isso pode ser dez vezes maior que a nominal, e o caso de ligar no momento em que a fase da tensão passa por zero é o pior. É ideal ligar o tiristor na tensão máxima ou iniciá-lo "suavemente", começando com pequenos ângulos de condução. Para trabalhar com carga indutiva, é recomendável usar relés com o índice TSI, projetados para aumentar a corrente de surto. A assimetria dos momentos de ativação pode ser consequência da diferença na tensão de ativação dos tiristores em diferentes polaridades. Ele desempenha um papel significativo se a amplitude da tensão comutada exceder ligeiramente a tensão de ativação do tiristor (5 ... 15 V). A assimetria também ocorre com o controle fase-a-pulso incorreto do relé, bem como quando o tiristor não é aberto a cada meio ciclo devido ao fato de a tensão reversa cruzar a "janela" de ativação muito rapidamente. O último fator é um dos principais que limitam a frequência da tensão comutada (geralmente não mais que 500 Hz). A operação em carga capacitiva é caracterizada pela possibilidade de grandes surtos de corrente no circuito de potência e o efeito no tiristor de uma tensão que atinge o dobro da amplitude da comutada. Uma corrente de irrupção ocorre se o relé for ligado com uma fase diferente de zero da tensão comutada. Conectar um capacitor descarregado com capacidade de 220 μF a uma rede de corrente alternada de 50 V 100 Hz pode causar uma corrente de pico com amplitude de até 31000 A. A taxa de aumento de corrente em uma carga com uma indutância de 1 μH atinge 310 A / μs em um valor máximo permitido para tiristores de 20 ... 160 A / ms. Como a tensão de ativação do tiristor é diferente de zero (conforme observado acima - 5 ... 15 V), ocorrem surtos de corrente em cada meio ciclo da tensão comutada. Com uma capacitância de carga de 100 microfarads, a amplitude de tais surtos é de 500 ... 1500 A. Eles geram interferência eletromagnética significativa e poderosos componentes de alta frequência no espectro de corrente de carga. Estes últimos são muito perigosos para alguns capacitores, causando superaquecimento e quebra. Portanto, para trabalhar com cargas capacitivas, é necessário usar um relé com controle de transição de fase de tensão por zero e com baixa tensão de ativação, por exemplo, com o índice TMK, para o qual a ativação (4 V ) e as tensões de desligamento (10 V) são normalizadas. Sabe-se que depois que a corrente cai a zero e o tiristor é desligado, a capacitância de carga permanece carregada com uma tensão próxima à amplitude da comutada. No próximo meio ciclo, a soma dessa tensão e a polaridade oposta da rede será aplicada ao tiristor fechado, que pode atingir uma amplitude dupla, por exemplo, em uma tensão de rede de 380 V ± 10% - 1170 V. Sob Nessas condições, mesmo o relé de tensão mais alta da décima segunda classe funcionará no limite de suas capacidades e não poderá ser protegido contra quebra por um varistor. Nesses casos, é aconselhável usar relés não apenas ligados, mas também desligados em tensão zero, por exemplo, corrente contínua bipolar. Isso elimina sobrecargas de tensão, expande significativamente a faixa de frequência operacional, mas piora um pouco o desempenho energético. Para operação em frequências de até 1 kHz, amostras dos relés da série 5P 66 foram desenvolvidas e o trabalho está em andamento para expandir sua faixa de frequência para dezenas de kilohertz. Na fig. 2 mostra um diagrama de uso de um relé de reversão monofásico U1 para alterar a direção de rotação de um motor elétrico monofásico M1 com um capacitor de deslocamento de fase C1.
Na fig. 3 mostra um diagrama de um relé bifásico para controlar um motor trifásico. Os elementos de comutação do relé são convencionalmente representados como triacs, embora em alguns casos sejam trinistores conectados em antiparalelo.
Os circuitos de controle do relé não são mostrados nos diagramas. Eles devem ser dispostos de forma a excluir o fornecimento simultâneo de sinais para abrir triacs VS1 e VS2 (ver Fig. 2) ou VS1 e VS4, VS2 e VS3 (ver Fig. 3). Apenas um de cada par deve estar aberto a qualquer momento. No entanto, devido aos triacs desligarem apenas com corrente zero, após um sinal reverso ser dado, alguns deles ainda podem estar abertos ao mesmo tempo. Em um dispositivo monofásico, isso levará à descarga do capacitor desfasador C1 através de triacs, em um dispositivo trifásico, para um circuito interfásico. Para evitar tais situações, os relés de reversão têm um atraso de ativação de hardware de 20 ... 30 ms, devido ao qual, em uma frequência de rede superior a 40 Hz e uma reversão "instantânea", os triacs abertos têm tempo para fechar. Existem outras razões pelas quais os tiristores às vezes ligam ao mesmo tempo. Por exemplo, a taxa de variação da tensão fornecida por uma partida eletromagnética pode ser maior que a crítica para dois dispositivos conectados em série. Os circuitos RC de amortecimento são de pouca ajuda neste caso, pois são desviados pela impedância da rede elétrica extremamente baixa. Grandes valores dU/dt podem ser causados por transientes ou surtos de comutação. Fornecido no dispositivo de acordo com o esquema mostrado na Fig. 3, os indutores L1, L2, em interação com os capacitores C1-C4, reduzem a taxa de aumento de tensão, reduzindo a probabilidade de curto-circuito fase a fase. Além disso, sua indutância limita a taxa de aumento de corrente, cujos grandes valores são destrutivos para os tiristores. Entretanto, nem os circuitos snubber nem os indutores garantem a impossibilidade de faltas fase-fase. O método geralmente aceito para proteger os tiristores de suas consequências (recomenda-se para seus produtos, por exemplo, Motorola, Siemens, Opto-22) é a instalação de resistores limitadores de corrente R1 (ver Fig. 2) e R1, R2 ( ver Fig. 3). Suas classificações são escolhidas de forma que a corrente de falta fase-fase não exceda o permitido para o relé de corrente de surto usado. A duração de seu fluxo não excede metade do período da tensão de rede. As consequências da instalação de resistores limitadores - diminuição da tensão nos enrolamentos do motor e necessidade de remover o calor gerado - devem ser suportadas. RELÉ CC Os relés CC com circuitos de saída baseados em IGBTs e MOSFETs estão disponíveis em pólos simples e duplos. Nos últimos dois transistores de saída são conectados back-to-back. Para transistores MOS, isso é necessário para que o canal fechado de um deles impeça o fluxo de corrente através do diodo shunt polarizado diretamente do segundo (tais diodos estão necessariamente presentes na estrutura MOS). Os diodos devem ser introduzidos nas estruturas IGBT propositalmente, mas já para passar a corrente que flui na direção oposta ao transistor. Observe que também são produzidos os chamados relés CC multicanal com várias combinações de circuitos de saída normalmente fechados e normalmente abertos. Ao aplicá-los, deve-se levar em consideração que os circuitos de saída tornam-se normalmente fechados somente após a tensão de alimentação ser fornecida ao relé por uma fonte conectada galvanicamente às entradas de controle. A tensão residual na saída de relés unipolares em transistores MOS no estado aberto depende da resistência do canal deste último a uma temperatura de 25 ° C, que varia de alguns miliohms para transistores de baixa tensão a alguns ohms para transistores de alta tensão. transistores de tensão. Com o aumento da temperatura do cristal até o limite (150 °C), essa resistência aumenta aproximadamente duas vezes. Relés bipolares em MOSFETs têm uma tensão residual mais alta. Consiste em quedas de tensão através da resistência do canal de um transistor e através de um diodo polarizado diretamente pela resistência do canal do segundo transistor. A característica de corrente-tensão do circuito de saída de tais relés no estado ligado em baixa corrente é quase linear, então gradualmente se transforma em uma característica de diodo. O ponto de inflexão fica na região de 100 ... 200 A para relés de baixa tensão e unidades de ampères - para alta tensão. Os elementos de controle dos transistores de saída nos relés das séries 5P 20 (unipolar) e 5P 19 (bipolar) são optoacopladores fotovoltaicos com uma corrente de saída da ordem de alguns microamperes. Por esse motivo, o carregamento da capacitância gate-source dos MOSFETs é bastante lento, o que leva a um atraso de ativação do relé de dezenas de milissegundos. O atraso de desligamento é muito menor (não mais que 1 ms), pois são fornecidas unidades especiais de descarga de tiristor com a capacidade mencionada. Os relés de alta velocidade são caracterizados por atrasos liga/desliga de alguns microssegundos, mas requerem uma fonte de alimentação adicional para os circuitos de controle. Para relés de vários tipos, esta fonte deve ser conectada galvanicamente à saída ou entrada do relé. Os relés alimentados pela entrada da série 5P 57 (bipolar) e 5P 59 (unipolar), com atrasos liga / desliga de alguns microssegundos, são capazes de comutar a uma frequência não superior a 10 ... 20 Hz, desde que o os optoacopladores fotovoltaicos usados neles não conseguem reabastecer com rapidez suficiente a energia dissipada durante o desligamento. Os relés de saída unipolar da série 5P 40 podem operar em uma frequência de comutação de dezenas de kHz. Para sua alimentação, é necessária uma fonte de tensão de 10 ... 15 V isolada dos circuitos de entrada.
Uma maneira comum de proteger contra altas tensões que ocorrem quando uma carga indutiva é desligada é desviando-a com um diodo na polaridade reversa. A corrente I, fluindo pela carga antes da quebra do circuito, neste caso diminui exponencialmente com a constante de tempo L / r, onde L e r são, respectivamente, a indutância e a resistência da carga. Parte da energia
a carga armazenada na indutância é dissipada por sua resistência ativa, a outra - pelo diodo shunt. Pode-se mostrar que para pequenos valores de r, a maior parte da energia dissipada recai sobre o diodo. Isso causa uma sobrecarga do último em termos de pulso e em altas frequências de comutação - em termos de dissipação de energia média. Se a tensão máxima permitida do transistor Udop for significativamente maior que o Ucom comutado, o modo de operação do diodo de proteção facilitará muito a inclusão de um resistor com valor nominal em série com ele.
Nesse caso, no momento do desligamento, a tensão na saída do relé é igual a outra + RI, a energia é liberada no diodo
(onde Ud - 0,7 V é a queda de tensão direta no diodo) e no resistor -
Portanto, na frequência de comutação fkom, a potência do resistor deve ser pelo menos
A introdução de um resistor tem outro efeito positivo - reduz o tempo de desligamento da carga, pois a constante de tempo da queda de corrente nesse caso é igual a L / (R + r). Os relés da série 5P 19, 5P 20, como já observado, são caracterizados por um atraso de ativação de dezenas de milissegundos, o que limita a frequência máxima
onde lK0M é a corrente chaveada. Como a duração da queda de corrente durante o desligamento é uma ordem de grandeza menor que tout, a energia dissipada neste caso pode ser desprezada. Dois modos de operação são potencialmente perigosos para os transistores de potência do relé: alternar uma carga estacionária com uma frequência próxima ao limite e ligar uma carga com uma grande corrente inicial (por exemplo, a corrente inicial de uma lâmpada incandescente é mais 10 vezes maior que o nominal).
onde ROTKr é a resistência do circuito de saída no estado aberto; Q - ciclo de trabalho (a relação entre o período de comutação e a duração do estado ligado). Por exemplo, em um relé unipolar 5P 20.10 P-5-0,6 (tensão limite - 60 V, corrente - 5 A, R - 0,055 Ohm, resistência térmica do ambiente de cristal - 40 ° C / W) a uma corrente de carga de 5 A em um estado permanentemente ligado, uma potência não superior a 1,375 W será liberada, o que causará um superaquecimento aceitável na maioria dos casos do cristal em relação ao meio em 55 °C. No entanto, alternar a mesma carga com frequência de 10 Hz com ciclo de trabalho de 2, tensão de 50 V e tout = 5 ms levará a um aumento na potência liberada em até 2,77 W e superaquecimento do cristal em 110 ° C. Isso não permitirá que o relé opere de forma confiável em uma temperatura ambiente acima de 40 °C. No segundo caso, o valor inicial da corrente de carga é muito maior que o valor nominal, então a energia de ativação do WBKJ1 pode exceder o valor permitido para os transistores do relé. Como com a diminuição de tout, a energia de comutação diminui proporcionalmente, é aconselhável comutar cargas inerciais usando relés de alta velocidade, por exemplo, série 5P 57, 5P 59. Conforme observado acima, os relés da série 5P 62 para operação em uma frequência de comutação superior a 10 ... 30 Hz requerem a conexão de elementos externos adicionais. Como os relés das séries 5P 57 e 5P 59, sua fonte de tensão interna para o circuito de controle do transistor de saída é de baixa potência média e não pode repor rapidamente a energia gasta quando a capacitância da porta do transistor é descarregada. Para eliminar essa deficiência, um capacitor externo é projetado, através do qual, quando o transistor de saída é desligado, energia adicional é "bombeada" para o circuito de controle da fonte da tensão comutada. A capacitância ideal do capacitor depende das condições de operação do relé, em particular, da tensão de comutação. Portanto, não pode ser introduzido no relé. Cada vez que o transistor de entrada liga, o capacitor é descarregado através do circuito de acionamento do gate, dissipando C U2/2. Se a frequência de comutação for alta o suficiente, a potência adicional dissipada no relé atinge um valor inaceitável. Para reduzi-lo, é utilizado um resistor, no qual é dissipada parte significativa da energia armazenada pelo capacitor, e um diodo zener. A tensão de estabilização deste último é escolhida de forma que, no valor mínimo da tensão comutada, o capacitor seja carregado apenas até 15 V. CONDIÇÃO TÉRMICA DO RELÉ Para relés operados sem dissipador de calor, a corrente chaveada máxima é normalizada com base na temperatura limite dos cristais do elemento de potência Tcr. máx (125 °C - para tiristores, 150 °C - para transistores) à temperatura ambiente Tacr = 25 °C. O mesmo parâmetro de um relé com dissipador de calor é definido de acordo com a temperatura limite do cristal em uma temperatura do dissipador de calor Tto = 75 °C para relés tiristores e Tto = 90 °C para transistores. Os dois últimos valores são escolhidos de uma condição bastante arbitrária de igualdade da resistência térmica do dissipador de calor externo RT0 à resistência térmica "equivalente" do dissipador de calor de cristal R3kb- Deve-se ter em mente que na referência dados de relés polifásicos, a resistência térmica geralmente é indicada com base em "por fase", portanto, a resistência "equivalente", por exemplo, de um relé trifásico é três vezes menor. A principal relação para cálculos térmicos: Tacr + P(RTO + Ieq) < Tcrlop, onde P é a potência dissipada pelo relé. Um exemplo de como calcular esta potência para um relé DC com uma saída MOSFET foi dado na seção anterior. Para IGBT, é calculado pela fórmula P = UOCT-lKOM, onde UOCT é a tensão residual no transistor aberto. A potência dissipada em uma fase do relé do tiristor é calculada pela fórmula empírica P = (0,145 + 0,7UOCT pico) Ieff, onde U0CT pico é o valor de pico da tensão residual no tiristor incluído; Ieff é o valor efetivo da corrente que flui através dele. Autor: S. Arkhipov, Orel
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