10.8.2. Критерии оценки схем защиты от помех

Для устройств на постоянном и пере­менном токе существует большое число возможных вариантов схем защиты (см. табл. 10.8 и 10.10, рис. 10.44 и 10.45). Воп­рос о возможности их применения в конк­ретных случаях решают с учетом следую­щих факторов (перечисление без учета важности):

• время срабатывания;

• нагрузочная способность по импуль­сному току и способность к поглощению энергии;

• эффективность ограничения и и ;

• вид напряжения на катушке и тока возбуждения после отключения (колеба­тельный или апериодический);

• нагрузка выключателя по току при включении;

• стационарный ток потерь;

• влияние времени задержки защищае­мого прибора;

• влияние надежности системы в целом;

• характеристика старения (дрейф параметров);

• характеристика поведения при ава­рии (КЗ или обрыв с вытекающими отсюда последствиями);

• степень сложности правильного определения параметров.

Подходящей должна считаться схема защиты, которая:

• имеет приемлемые экономические показатели;

• при экономном исполнении позво­ляет производить достаточное подавление перенапряжений по возможности непо­средственно на катушке индуктивности;

• характеризуется очень малым време­нем срабатывания;

• по возможности не вызывает стацио­нарных потерь энергии;

• не ухудшает общей надежности сис­темы;

• по минимуму изменяет время сраба­тывания устройства;

• может рассчитываться по простым формулам.

10.8.3. Схемы защиты от помех для устройств постоянного тока

В табл. 10.8 приведен обзор важнейших свойств схем защиты, которые могут при­меняться в приборах постоянного тока.

В табл. 10.8 приняты следующие обоз­начения:

- действующее сопротивление, индуктивность, емкость и постоянная времени обмотки возбуждения;

- номинальные ток и напря­жение обмотки;

- допустимый ток включения выключателя;

- ток пропускания диода;

- ток потерь;

- максимально допустимый ток;

- металлооксидный варистор;

- максимально допустимая мощ­ность потерь;

- разрядное сопротивление;

- время запирания диода;

- номинальное напряжение кон­денсатора;

- наибольшее рабочее напряже­ние варистора (см. рис. 10.5);

- напряжение запирания диода;

- напряжение (см. рис. 10.42, а);

- число отключений за единицу вре­мени;

- постоянная варистора.

Далее остановимся на характеристиках некоторых защитных элементов.

Диоды. Самое радикальное подавление перенапряжений при отключении осущест­вляется чисто диодной схемой (см. табл. 10.8, столбец 2). Поскольку скорость включения диода существенно выше, чем у коммутационного устройства, на катушке при отключении не возникает перенапря­жений.

Напряжение запирания диода выбирается и ток. Время должно быть восстановления запирания, меньше 100 не, чтобы вибрационные про­цессы на контактах выключателя не разру­шили диод. При подключении нужно обра­щать внимание на правильную полярность. В приборах с якорем время срабатывания за счет схемы защиты не изменяется, тогда как время возврата по сравнению с прибо­ром без такой схемы увеличивается в 10 - 20 раз. Это свойство может успешно использоваться, когда, например, нужно прекратить перерывы напряжения в тече­ние нескольких миллисекунд. В целом дио­дные схемы при малых размерах и пренебрежимом токе потерь имеют очень хорошее помехозащитное действие. Они использу­ются, когда удлинение времени возврата прибора со схемой защиты не имеет нега­тивных последствий для функционирова­ния устройства в целом.

Резисторы. Параллельное с индуктив­ной обмоткой включение резистора сопро­тивлением (см. табл. 10.8, столбец 3) является лишь условно возможной схемой защиты. Для снижения перенапряжения при отключении оно должно быть не слиш­ком большим, с другой стороны, для огра­ничения длительности процесса отключе­ния и сохранения тока потерьв приемлемых границах, не слишком малым. Оно выбирается в пределахи рассчитывается по току потерь. Параллель­ные сопротивления используются в схемах обмоток двигателей. Для схем защиты от помех их нельзя рекомендовать к примене­нию.

Резисторы с диодами. Можно получить улучшенные свойства, если последова­тельно с включить диод (см. табл. 10.8, столбец 4). При включенной катушке в этом случае без учета обратного тока диода, кото­рый пренебрежимо мал, черезне проте­кает никакого тока. Следовательно, источ­ник напряжения дополнительно не нагру­жается, исключается дополнительное выде­ление тепла и резистортермически нагружается меньше. Выбор диода производится, как показано в столбце 2 в табл. 10.8. Здесь также необходимо следить за пра­вильной полярностью.

Варисторы. Варисторы (см. табл. 10.8, столбец 5) являются сопротивлениями, зави­сящими от напряжения с симметричной, сильно нелинейной вольт-амперной харак­теристикой. Она описывается уравнением

,

где - константа; - показатель степени, характеризующий нелинейность вольт-амперной характеристики. При обычных варисторах из карбида кремния значения а лежат в области от 3 до 5, а при металлооксидных варисторах на базе оксида цинка - в области от 20 до 30. Последние вследствие того, что они имеют очень короткое время срабатывания (20-50 нс), очень хорошо подходят в качестве элемен­тов ограничения перенапряжений. При отк­лючении катушки они обеспечивают при сравнимых перенапряженияхмень­шее время, чем описанные до этого вари­анты схем.

Выбор подходящего металлооксидного варистора осуществляется с учетом следу­ющих обстоятельств:

с учетом наибольшего рабочего напряже­ния варистора . Оно выбирается с учетом допускаположительного отклонения номинального напряжения прибора:

, (10.3)

где - наибольшее рабочее напряже­ние (наивысшее длительно допустимое постоянное напряжение, которое может быть приложено к варистору);- номинальное напряжение варистора;

с учетом максимально допустимой мощности потерь варистора определяется согласно соотношению

, (10.4)

где -число отключении в единицу вре­мени.

По согласно (10.3) исоот­ветственно (10.4) первоначально устанав­ливается тип варистора. Возникающее при отключении перенапряжение можно прос­тым способом получить из вольт-амперной характеристики (рис. 10.40).

В-третьих, нужно убедиться, что макси­мально допустимый отводимый импуль­сный ток выбранного варистора не превы­шается, т.е. обеспечивается выполнение условия

, (10.5)

где - максимально допустимая амп­литуда стандартного импульса 8/20 мкс.

Номинальные отводимые металлооксидными варисторами токи (импульс 8/20 мкс) в зависимости от диаметра варис­тора и числа коммутаций приведены в табл. 10.9.

Рис. 10.40. Вольт-амперная характеристике варистора в логарифмическом масштабе

Таблица 10.9. Номинальный отводимый импульсный ток металлооксидных варисторов для различного числа коммутаций

Диаметр варистора, мм	, В	, В	Номинальный отводимый импульсный ток , А, для различного числа коммутаций
			1	10	10^4	10^6
5	95	125	200	50	20	10
7	95	125	500	125	50	25
10	95	125	500	125	50	25
10	95	125	1000	250	100	50
14	95	125	1000	250	75	25
14	95	125	2000	500	175	50
20	95	125	4000	1000	200	50
30	250	320	10000	2000	250	60

Таким образом, варистор диаметром 5 мм переносит в целом 10⁶ стандартных импульсов амплитудой 10 А. Для случая, когда длительность импульса более 20 мкс, допустимая амплитуда импульса уменьша­ется. Это предусматривается понижающим коэффициентом который может быть получен в зависимости от длительности импульса(рис. 10.41). Например, длямс присрабатываний полу­чаем коэффициент . Для упомяну­того варистора выполняется соотношение

,

Это означает, что выбранный варистор применим, когда номинальный ток , протекающий через варистор, меньше или равен 0,6 А. Если это не так, то должен быть выбран варистор с большей нагрузоч­ной способностью и диаметром.

Рис. 10.41. Коэффициент уменьшения для длительности импульса мкс

Величина может быть оценена при помощи соотношения

, (10.6)

где - перенапряжение при отключе­нии катушки (см. рис. 10.40). Уравнение (10.6) получается путем упрощения дан­ного в табл. 10.9, столбец 4 соотношения для

Z-диоды. -диоды (диоды Зенера) имеют асимметричную вольт-амперную характе­ристику (рис. 10.42, а). Чтобы при включен­ном приборе через помехозащищающую цепь не протекало тока, включается встречно диод D (см. табл. 10.8, столбец 6). Требуемое значение -диода (рис. 10,42, а) опреде­ляется по одной из пар величин: ;. Обычно она выбирается в пределах(рис. 10.42,б). Как пра­вило, - диод должен быть способен кратков­ременно проводить токзащищаемого прибора, т.е.

(10.7)

и должен быть выбран по рассеиваемой энергии

(10.8)

а) б)

Рис. 10.42. Характеристики - диодов

а – вольт-амперная характеристика; б - согласно табл. 10.8, столбец 6

Определение параметров диода произ­водится, как указано в столбце 2 табл. 10.8.

Z-диоды, хотя и имеют малое время сра­батывания и обеспечивают эффективное ограничение перенапряжений при отключе­нии, являются сравнительно дорогими. Их нагрузочная способность по импульсному току и возможность поглощения энергии, так же как и , ограничены, так что они могут использоваться только в небольших, управляемых полупроводниковыми схе­мами приборах, с низкими номинальными напряжениями. Луч­шими свойствами в этом отношении обла­дают специально разработанные для отвода переходных перенапряжений-диоды (переходные поглощающие стабилитроны).

RC-цепочки. Очень хорошими свой­ствами по ограничению перенапряжений при отключении, снижению производных напряжения, так же как и по обеспечению малого времени срабатывания обладают соответствующим образом подобранные -цепочки. В простейшем случае они сос­тоят из резистора и конденсатора , расположенных параллельно катушке индуктивности (см, табл. 10.8, столбец 7). При включениибыстро (постоянная времени заряда) заряжается до номинального напряжения. После этого через цепь помехоподавления течет лишь ток утечки конденсатора, которым можно пренебречь.

-цепочка рассчитывается так, что в ней после отключения происходит затуха­ющий колебательный разряд:

, (10.9)

причем нельзя переходить за нижнее гра­ничное сопротивление , чтобы при включении не произошло сваривания контактов выключателя:

, (10.10)

Цепь помехозащиты должна кратковре­менно проводить ток , а конденсатор должен быть рассчитан на двух-трехкратное номинальное напряжение. Поскольку в процессе разряда меняется направление тока, то используются, как правило, только металлобумажные конденсаторы.

RCD-цепочки. Еще одна помехозащит­ная комбинация (рис. 10.43), состоящая из последовательности диод — конденсатор — резистор, представлена в табл. 10.8, стол­бец 8. Конденсатор после отключения обмотки возбуждения заряжается до момента . Смена направления тока через диод невозможна;разряжается через .Поскольку не возникает низкочастотных колебаний, этот вариант схемы специально подходит для выключателей.

а) б)

Рис. 10.43. - схемы со вспомогательным выпрямителем:

а – с разрядным резистором; б – с варистором в качестве разрядного сопротивления

Устраняется повторное втягивание якоря. Основы рас­чета RCD-цепочки состоят в следующем.

Диод выбирается согласно табл. 10.8, столбец 8, емкость конденсатора рассчиты­вается по формуле

. (10.11)

Напряжение на конденсаторе

. (10.12)

Сопротивление

, (10.13)

где - время паузы между двумя отклю­чениями.

Если сравнить отдельные защитные схемы согласно данным в п. 10.8.3 крите­риям оценки, можно дать следующие реко­мендации:

• если замедление времени возврата не играет роли, удобна диодная схема (см. табл. 10.8, столбец 2);

• если время реакции защищаемого прибора по возможности не должно изме­няться, преимущество имеют комбинации с металлооксидными варисторами (см. табл. 10.8, столбец 5) или RC-цепочки (см. табл. 10.8, столбцы 7 и 8); для небольших приборов пригодны Z-диоды или - диодные схемы (см. табл. 10.8, столбец 6);

• резисторы (см. табл. 10.8, столбец 3) не годятся в качестве защиты от помех.