Зміст
Вступ
І.1 Призначення, принцип дії, область застосування захисного відключення
2 Класифікація ПЗВ
3 Принцип роботи ПЗВ
4 ПЗВ, що реагує на потенціал корпуса відносно землі
5 ПЗВ, що реагує на диференціальний (залишковий) струм
6 Принцип дії ПЗВ на прикладі
ІІ. Основні схеми і особливості роботи тиристорних і транзисторних ключів змінного струму.
1. Транзисторні ключі.
2. Тиристорі ключі
3. Принцип дії тиристора
4. Захист тиристорів.
Висновок Література
Вступ Перше пристрій захисного відключення (УЗВ) був запатентований у Німеччині в 1928 р. Головною відмінністю запатентованого пристрою було використання для захисту людини від ураження електричним струмом принципу струмового диференціальної захисту, раніше застосовувалося тільки для захисту обладнання - генераторів, ліній, трансформаторів. У 1937 р. було изготовлено перше чинней пристрій на базі диференціального трансформатора і поляризованого реле, що мало чутливість 0,01 А і швидкодія 0,1с. Всі наступні роки, за винятком військових і перших повоєнних, в європейських країнах велася інтенсивна робота з вивчення дії електричного струму на організм людини, розробці електрозахисних засобів і в першу чергу - вдосконалення і впровадження ПЗВ. В середині 50-х років в Австрії, ФРН, Франції почалося масове впровадження ПЗВ (незалежних від напруги живлення - електромеханічних) у всі без винятку електроустановки - на виробництві, в громадських будівлях, житло. У США розробка УЗО йшла по шляху створення електронних пристроїв. У 1961 р. було випробувано трехполюсное ПЗВ з електронним підсилювачем, вимагали живлення від мережі, з номінальним відключає диференціальним струмом 18 мА. У 1960-1970 рр. в усьому світі, в першу чергу в країнах Західної Європи, Японії, США, почалося активне впровадження ПЗВ в широку практику. Офіційна статистика у всьому світі відзначає, що результатом масштабного впровадження ПЗВ стало різке, на порядок і більше, зниження електротравматизму. У 70-х роках в нашій країні активно велися науково-дослідні, експериментальні та дослідно-конструкторські роботи зі створення і впровадження в широку практику УЗО. В Україні УЗО стає звичним і обов'язковим обладнанням електроустановок промислового та соціально-побутового призначення, обов'язковим елементом кожного розподільного щита - стаціонарного, тимчасового (на будмайданчику) або мобільного. УЗО обладнуються в обов'язковому порядку всі пересувні об'єкти (житлові будинки-причепи на кемпінгових майданчиках, торговельні фургони, фургони громадського харчування, малі тимчасові електроустановки зовнішньої установки, наприклад, влаштовуються на площах на час святкових гулянь), ангари, гаражі. УЗО вбудовують в розеткові блоки або вилки, через які підключаються електроінструмент або побутові електроприлади, що експлуатуються в особоопасних - вологих, запорошених, з провідними підлогами і т.п. приміщення. Представляє інтерес ще один аспект застосування ПЗВ - боротьба з розкраданнями електроенергії шляхом використання локального заземлювача. Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, використовуваними для комутації високовольтних і сільноточних (сильнострумових) ланцюгів. Однак вони мають істотний недолік - неповну керованість, яка виявляється в тому, що для їх виключення необхідно створити умови зниження прямого струму до нуля. Це в багатьох випадках обмежує і ускладнює використання тиристорів.
Для усунення цього недоліку розроблені тиристори, що замикаються сигналом по керуючому електроду G. Такі тиристори називають замикаються (GTO - Gate turn-off thyristor) або двухопераціоннимі.
Замикаються тиристори (ЗТ) мають чотиришарову р-п-р-п структуру, але в той же час володіють рядом істотних конструктивних особливостей, які надають їм принципово відмінне від традиційних тиристорів - властивість повної керованості. Статична ВАХ замикаються тиристорів в прямому напрямку ідентична ВАХ звичайних тиристорів. Однак блокувати великі зворотні напруги тиристор, що замикається зазвичай не здатний і часто з'єднується із зустрічно-паралельно включеним діодом. Крім того, для замикаються тиристорів характерні значні падіння прямої напруги. Для виключення замикається тиристора необхідно подати в ланцюг керуючого електрода потужний імпульс негативного струму (приблизно 1:5 по відношенню до значення прямого вимикаю струму), але короткою тривалістю (10-100 мкс).
І.1.
Призначення, принцип дії, область
застосування захисного відключення
Термін
"пристрій захисного відключення -
УЗО", прийнятий у вітчизняній
спеціальній літературі, найбільш точно
визначає призначення даного пристрою
і його відмінність від інших комутаційних
електричних апаратів - автоматичних
вимикачів, вимикачів навантаження,
магнітних пускачів і т.д.
Захисним
відключенням називається автоматичне
відключення електроустановок при
однофазному (однополюсному) дотику до
частин, що перебувають під напругою,
неприпустимим для людини, і (або) при
виникненні в електроустановці струму
витоку (замикання), що перевищує задані
значення.
Призначення
захисного відключення - забезпечення
електробезпеки, що досягається за
рахунок обмеження часу впливу небезпечного
струму на людину. Захист здійснюється
спеціальним пристроєм захисного
відключення (УЗО), що, працюючи в черговому
режимі, постійно контролює умови ураження
людини електричним струмом.
Область
застосування: електроустановки в мережах
з будь-яким напругою і будь-яким режимом
нейтралі. Найбільше поширення захисне
відключення отримало в електроустановках,
що використовуються в мережах напругою
до 1 кВ із заземленою або ізольованою
нейтраллю.
2.Класифікація
ПЗВ
Всі
ПЗВ по виду вхідного сигналу класифікують
на кілька типів (рис.1).
Рис.1.
Класифікація УЗО по виду вхідного
сигналу
В
залежності від характеристик
електроустановок, для яких призначені
УЗО, їх слід класифікувати за: режиму
нейтралі джерела живлення електроустановки;
роду і частоти струму; напрузі; числу
фаз (полюсів); мобільності.
У
залежності від режиму нейтралі джерела
живлення електроустановки УЗО
підрозділяють на пристрої, призначені
для електроустановок з ізольованою або
глухозаземленою нейтраллю
По
роду і частоти струму ПЗВ підрозділяють
на пристрої, призначені для електроустановок:
змінного струму частоти 50 (60) Гц; змінного
струму непромислової частоти; постійного
струму; випрямленого струму; двох і
більше пологів струму з числа зазначених
вище.
УЗО,
призначені для відключення електроустановок
при доторканні людини до частин, що
перебувають під напругою, підрозділяють
на пристрої, розраховані на електроустановки
наступних класів напруг : змінного
струму частоти 50 (60) Гц- 127, 220, 380, 500, 660,
1140 В; змінного струму частоти 400 Гц - 200;
постійного (випрямленого) струму - 110,
220, 275, 400 Ст. УЗО, призначені для відключення
електроустановки при виникненні в ній
струму витоку, підрозділяють на пристрої,
розраховані на електроустановки
вищевказаних класів напруги, а також
6000 і 10000 В частоти 50 (60) Гц.
За
кількістю фаз (полюсів) УЗО підрозділяють
на: однофазні (однополюсні); двофазні
(двополюсні); трифазні (триполюсні,
чотириполюсні).
За
видами засобів захисту, взаємодіючих
з ПЗВ, розрізняють пристрої, використовувані
з: захисним заземленням; занулення;
автоматичним закороченні на землю
пошкодженої фази (шунтуванням ланцюзі
витоку струму замикання на землю);
компенсацією (автоматичною чи статичною)
струму витоку (замикання на землю).
Крім
того, УЗО можуть класифікуватися за
іншими критеріями, наприклад, за
конструктивним виконанням.
Наприклад:
1. Характеристика захищається
электроустановки.1.1. Нейтраль джерела
живлення - глухозаземленная. 1.2. Рід і
частота струму - змінний 50 Гц. 1.3. Номінальна
напруга - 380 В, струм навантаження - 25
А.1.4. Число фаз - три. 1.5. Установка
пересувна.
2.
Вид вхідного сигналу - струм нульової
послідовності.
3.
Можливість і спосіб регулювання уставок
- уставка нерегульована.
4.
Спосіб контролю справності - тільки
ручний.
5.
Умови монтажу - УЗО вбудовується в
оболонку магнітного пускача типу
ПМЕ-211.
6.
Необхідність використання з іншими
засобами захисту - УЗО має використовуватися
спільно з занулением.
7.
Вибірковість - УЗО селективне.
8.
Підключення до електроустановці -
безпосереднє.
9.
Вид виконання загального призначення.
Основними
параметрами, за якими підбирається те
чи інше УЗО є: номінальний струм
навантаження тобто робочий струм
електроустановки, який протікає через
нормально замкнуті контакти УЗО в
черговому режимі; номінальна напруга
(діюче значення напруги, при якому
забезпечується працездатність
УЗО-220,380В); уставка (відключаючий
диференціальний струм або мінімальне
значення вхідного сигналу, що викликає
спрацьовування УЗО і подальше автоматичне
відключення пошкодженої ділянки мережі
або струмоприймача); час спрацювання
пристрою.
3.
Принцип роботи ПЗВ
Принцип
роботи ПЗВ полягає в тому, що воно
постійно контролює вхідний сигнал і
порівнює його з наперед заданою величиною
(уставкою). Наприклад, значення уставок
повинні вибиратися для мереж з
глухозаземленою нейтраллю - з ряду
0,002; 0,006; 0,01; 0,02; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5; 1,0 А. Якщо
вхідний сигнал перевищує уставку, то
пристрій спрацьовує і відключає захищену
електроустановку від мережі. В якості
вхідних сигналів пристроїв захисного
відключення використовують різні
параметри електричних мереж, які несуть
в собі інформацію про умови ураження
людини електричним струмом.
Основними
елементами будь-якого пристрою захисного
відключення є датчик, перетворювач і
виконавчий орган.
4.
ПЗВ, що реагує на потенціал корпуса
відносно землі
Призначений
для забезпечення безпеки при виникненні
на заземленому (або зануленном) корпусі
електроустановки підвищеного потенціалу.
Датчиком в цьому пристрої (рис.2) служить
реле Р, обмотка якого включена між
корпусом електроустановки та допоміжним
заземлювачем Rв. Електроди допоміжного
заземлювача Rв розташовуються поза
зоною розтікання струмів заземлювача
Rз.
Рис.2. Схема ПЗВ, що реагує на потенціал корпусу Фактично даний тип ПЗВ дублює захисні властивості заземлення або занулення застосовується в якості додаткового захисту, підвищуючи надійність заземлення або занулення. Даний тип ПЗВ може застосовуватися в мережах з будь-яким режимом нейтралі, коли заземлення або занулення неефективно. 5. ПЗВ, що реагує на диференціальний (залишковий) струм Знаходять широке застосування у всіх галузях промисловості. Характерною їх особливістю є багатофункціональність. Такі УЗО можуть здійснювати захист людини від ураження електричним струмом при прямому дотику, при непрямому дотику, при несиметричного зниження ізоляції проводів відносно землі в зоні захисту пристрою, при замиканнях на землю і в інших ситуаціях. Принцип дії ПЗВ диференціального типу полягає в тому, що воно постійно контролює диференціальний струм і порівнює його з уставкою. При перевищенні значення диференціального струму уставки УЗО спрацьовує і відключає аварійний споживач електроенергії від мережі. Вхідним сигналом для трифазних УЗО є струм нульової послідовності. Вхідний сигнал УЗО функціонально пов'язаний з струмом, який протікає через тіло людини Ih. Область застосування ПЗВ диференціального типу - мережі з заземленою нейтраллю напругою до 1 кВ (система TN - S). Схема включення ПЗВ, що реагує на диференціальний струм у мережі з заземленою нейтраллю типу TN - S представлена на рис. 3.
Рис.3. Схема підключення до мережі ПЗВ (система TN - S), що реагує на диференціальний струм Датчиком такого пристрою є трансформатор струму нульової послідовності (ТТНП), на вихідних обмотках якого формується сигнал, пропорційний струму через тіло людини Ih. Перетворювач УЗО (П) порівнює значення вхідного сигналу з уставкою, значення якої визначається допустимим струмом через людину, підсилює вхідний сигнал до рівня, необхідного для управління виконавчим органом (ІО). Виконавчий орган, наприклад, контактор, відключає електроустановку від мережі в разі виникнення небезпеки ураження електричним струмом в зоні захисту УЗО. За умовами функціонування диференціальні УЗО підрозділяються на наступні типи: АС, А, В, S, G. ПЗВ типу АС - пристрій захисного відключення, що реагує на змінний синусоїдальний диференціальний струм, що виникає раптово, або що поволі зростає. ПЗВ типу А - пристрій захисного відключення, що реагує на змінний синусоїдальний диференціальний струм і пульсуючий постійний диференціальний струм, що виникають раптово, або повільно зростаючі. ПЗВ типу В - пристрій захисного відключення, що реагує на змінний, постійний і випрямлений диференційні струми. УЗО типу S - пристрій захисного відключення, селективне (з витримкою часу відключення). ПЗВ типу G - те ж, що і типу S, але з меншою витримкою часу.
6. Принцип дії пзв на прикладі
Рис. 4. Схема, що ілюструє принцип дії ПЗВ При дотику людини до відкритих струмопровідних частин або до корпусу електроприймача, який в результаті пробою ізоляції опинився під напругою, по фазному провідникові через УЗО крім струму навантаження I1 потече додатковий струм ID (струм витоку), який є для трансформатора струму диференціальним (різницевим). Нерівність струмів в первинних обмотках - I1 + ID у фазному провіднику і I2 = I1 в нульовому робочому провіднику - викликає небаланс магнітних потоків і, як наслідок, виникнення у вторинній обмотці трансформованого диференціального струму. Якщо цей струм перевищує задане значення струму порогового елемента пускового органу 2, останній спрацьовує і впливає на виконавчий механізм 3. Виконавчий механізм, який зазвичай складається з пружинного приводу, спускового механізму і групи силових контактів, розмикає електричний ланцюг. В результаті захищається УЗО електроустановка знеструмлюється. Для здійснення періодичного контролю справності (працездатності) ПЗВ передбачена ланцюг тестування 4. При натисканні кнопки "Т" штучно створюється ланцюг протікання вимикаючого диференційного струму. Спрацьовування УЗО в цьому випадку означає, що пристрій в цілому справно.
ІІ. Основні схеми і особливості роботи тиристорних і транзисторних ключів змінного струму.
-
Транзисторні ключі.
Переваги:
-високочастотним
-високий ККД
-нескладність схем
-дрейф проміжний між контактними і діодними ключами
Недоліки:
-Низька радіаційна стійкість (так само, як і у доданих ключів)-наявність гальванічного зв'язку між опорним і сигнальним напругою; якщо застосовані оптрони, то гальванічна розв'язка еквівалентна контактним ключам.
Ключі на біполярних транзисторах
Відомі три типові схеми включення, зображені на малюнках 1.12, 1.13 і 1.15: з загальною базою (ПРО), загальним емітером (ОЕ) і загальним колектором (ОК).
1
Схема із загальною базою (далі ОБ):
- найнижче вхідний опір в порівнянні з іншими схемами ОЕ і ОК (десятки Ом) як в активному, так і в ключовому режимі - недолік схеми, тому важко узгоджувати з попередніми каскадами, які мають, як правило, велике вихідний опір;
- має найвище вихідний опір (сотні кОм) - також недолік схеми, з точки зору узгодження через розходження опорів;
1
- не посилює по току, коефіцієнт посилення по струму близький до одиниці (трохи менше);
- підсилює за напругою в кілька десятків разів;
- коефіцієнт посилення по потужності відносно невеликий, приблизно той же, що і по напрузі;
- схема не інвертує підсилюваний сигнал в усилительном або в ключовому режимі, тому на графіку стрілкою вказується перепад на вході і на виході в одному напрямку.
На малюнку 1.12, в вертикальна вісь позначає напругу і Б, але біполярні транзистори управляються струмом, тому надалі будемо вказувати ток 1 Б.
Із
загальним емітером (далі ОЕ): Типова
схема ОЕ показана на малюнку 1.13, а;
варіант для ключового режиму - на малюнку
1.13, б; схема активної області (підсилювальний
режим) - на малюнку 1.13, г; графіки процесів
ключового режиму - на малюнку 1.13, в.
Малюнок 1.13, а, б, г - Схеми з ОЕ; в - графіки струму I Б і напруги на виході
Основні властивості:
- має на 1 - 2 порядки більшу вхідний опір в порівнянні з ПРО (десятки - сотні кОм), отже, краще узгоджується з попередніми більш високоомними каскадами. Більше вхідний опір тому, що в цій схемі діє ефект негативного зворотного зв'язку (ООС), що підвищує вхідний опір;
- має на порядок меншу вихідну опір з тієї ж причини (дія зворотного зв'язку), тому краще узгоджується з подальшими каскадами;
- підсилює по струму і по напрузі (десятки-сотні разів), тому коефіцієнт підсилення по потужності, є твором цих двох коефіцієнтів, в середньому в десятки (сотні) разів більше порівняно з попередньою схемою;
- схема інвертує вхідний сигнал в активній області або в ключовому режимі, перепади протівонаправлени, як показано стрілками на малюнку 1.13, в;
- схема володіє гіршою стабільністю в порівнянні з попередньою ПРО і подальшої ОК, т.к. в ній є позитивний зворотний зв'язок (ПОС).
На малюнках 1.14, а, б зображені відомі структурні схеми з
негативной і позитивної зворотними зв'язками (знак - ООС, знак + ПОС).
Тут ПОС, яка, як відомо, все погіршує, крім коефіцієнта посилення, тому термостабільність гірше, зростають лінійні і нелінійні спотворення, звужується частотний діапазон (знизу і зверху), поліпшується тільки коефіцієнт підсилення.
Із загальним колектором (далі ОК):
Схеми і графіки з загальним колектором зображені на малюнку 1.15, вони аналогічні за змістом малюнку 1.13.
Схема з ОК називається тому, що по змінному струмі колекторний електрод вважається заземленим через низький вихідний опір джерела живлення, через конденсатори цього джерела. Основні властивості:
- має найбільше вхідний опір (сотні кОм і вище), тому що діє глибока ООС на емітерний резисторі, що підвищує вхідний опір, що є гідністю схеми;
- має найнижче вихідний опір (десятки Ом), по суті, перетворює високий вхідний опір в низьке, тому схему іноді називають "трансформатором опорів" - гідність схеми;
- підсилює по струму в 10-100 разів, але не посилює по напрузі внаслідок наявності ООС, тому схему називають емітерний повторювачем, посилення по напрузі близько до одиниці (менше), коефіцієнт посилення по потужності на порядок менше ніж у схемі з ОЕ і приблизно дорівнює ОБ ;
- схема не інвертує вхідний сигнал (стрілки в одному напрямку);
- схема має високу стабільність, у тому числі і термостабільність. На практиці найчастіше застосовують ключі схеми з ОЕ, незважаючи на їх
недолік - низьку стабільність, рідше застосовують ОК і майже не застосовують ОБ. Більше того, у зв'язку з тим, що носії 2-х типів провідності (електрони і дірки) управляються струмом, але не напругою, підсилювальні ланцюга і каскади складніше в порівнянні з каскадами на уніполярних транзисторах, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) і IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
-
Тиристор є силовим електронним неповністю керованим ключем. Тому іноді в технічній літературі його називають одноопераційних тиристором, який може сигналом управління переводитися тільки в провідний стан, тобто включатися. Для його виключення (при роботі на постійному струмі) необхідно приймати спеціальні заходи, що забезпечують спадання прямого струму до нуля.
Тиристорний ключ може проводити струм тільки в одному напрямку, а в закритому стані здатний витримати як пряме, так і зворотне напруга.
При включенні тиристора в ланцюг змінного струму можливе здійснення таких операцій:
-
включення і відключення електричного кола з активної і активно-реактивної навантаженням;
-
зміна середнього та чинного значень струму через навантаження за рахунок того, що є можливість регулювати момент подачі сигналу керування.
Так як тиристорний ключ здатний проводити електричний струм тільки в одному напрямку, то для використання тиристорів на змінному струмі застосовується їх зустрічно-паралельне включення (рис. 4, а).
Рис. 4. Зустрічно-паралельне включення тиристорів (а) і форма струму при активному навантаженні (б)
Середнє і чинне значення струму варіюються за рахунок зміни моменту подачі на тиристори VS1 і VS2 відкривають сигналів, тобто за рахунок зміни кута і (рис. 4, б). Значення цього кута для тиристорів VS1 і VS2 при регулюванні змінюється одночасно за допомогою системи управління.Кут називається кутом управління або кутом відмикання тиристора.