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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Applicazione di relè optoelettronici a stato solido di media potenza. Dati di riferimento
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / materiali di riferimento L'articolo introduce alcune caratteristiche dei relè optoelettronici di media potenza prodotti da Proton-Impulse JSC. Le informazioni fornite in esso saranno utili a tutti i lettori che utilizzano o sviluppano vari interruttori a tiristori e transistor di circuiti di potenza. La tabella dà un'idea del sistema di designazione e della nomenclatura dei relè prodotti.
Informazioni più dettagliate su di essi possono essere trovate sul sito Web del produttore . Tutti i relè optoelettronici possono essere suddivisi in due gruppi principali: corrente alternata con elementi di potenza basati su triac e tiristori, corrente continua unipolare e bipolare con IGBT o transistor MOS nei circuiti di potenza. La loro differenza fondamentale è che i relè CA sono caratterizzati da una controllabilità parziale: un'interruzione nel circuito di alimentazione avviene sempre solo a corrente zero. Ciò offre alcuni vantaggi per i carichi induttivi eliminando le sovratensioni che si verificano durante lo spegnimento. È molto difficile utilizzare tali relè nei circuiti CC. Ma i relè DC bipolari sono in grado di commutare la corrente alternata. Uno dei criteri per scegliere un relè per un'applicazione specifica può essere la potenza dissipata dal suo elemento di potenza. Quando si opera in circuiti a corrente alternata con una tensione di 220...380 V e correnti superiori a diversi ampere, i tiristori sono 3...5 volte migliori degli IGBT in questo indicatore. Il rapporto tra la potenza dissipata dall'IGBT e dal transistor MOS è approssimativamente uguale al valore numerico della corrente in ampere. RELÈ AC Tra i relè a tiristori ci sono quelli monofase normalmente chiusi e normalmente aperti per una corrente di 1...100A; trifase normalmente aperta per corrente 10... 100 A; reversibili mono, bi e trifase per corrente 10...40 A con protezione incorporata contro il cortocircuito fase-fase e l'inversione istantanea; duale per una corrente di 1 A o più con controllo indipendente, con e senza punto di uscita comune. La classe del relè per la tensione di rottura in uscita può variare dalla quarta (non meno di 400 V) alla dodicesima (non meno di 1200 V) e il valore di picco consentito della tensione di isolamento tra i circuiti che trasportano corrente di ingresso e di uscita e il dissipatore di calore è 1500 o 4000 V. I relè con indice TM forniscono il controllo della fase zero della tensione commutata (si accendono solo quando il valore istantaneo di questa tensione è vicino allo zero, riducendo il rumore generato). I relè con l'indice TC non hanno questa proprietà. I circuiti di controllo del relè possono essere di corrente (Fig. 1,a, corrente nominale - 10...25 mA) o potenziale (Fig. 1,b - tensione costante 4...7 o 3...30 V, Fig. 1 , in - alternato 6..30 o 110...280 V). Con il controllo della corrente vengono prodotti solo relè monofase e a due canali, con il controllo del potenziale: tutti i tipi. In varie modifiche, il posto del resistore R1 (vedi Fig. 1,6 e c) può essere preso da uno stabilizzatore di corrente e il condensatore di “estinzione” C1 (vedi Fig. 1, c) può essere assente. Se un relè (ad esempio polifase) ha più diodi emettitori, questi possono essere collegati in serie o in parallelo.
Le strutture a tiristori sono molto sensibili al superamento della tensione consentita, il che porta a guasti irreversibili. Il metodo principale per proteggere l'uscita relè è bypassarla con un varistore. Si consigliano varistori CH2-1, CH2-2 con un coefficiente di non linearità superiore a 30 e un'energia di dissipazione di 10...114 J. Quando si sceglie, si dovrebbe partire dal fatto che la tensione di classificazione del varistore (alla quale la corrente che lo attraversa raggiunge 1 mA) dovrebbe superare il valore di ampiezza di quello commutato ed essere inferiore alla tensione di rottura dei tiristori. È necessario tenere conto della possibile instabilità e variazione tecnologica di questi parametri. A parità di altre condizioni, la commutazione di una corrente maggiore richiede relè di una classe di tensione più elevata. Ciò è dovuto alla dipendenza della tensione dal varistore di deflusso. Un'altra caratteristica delle strutture a tiristori è la sensibilità alla velocità di aumento della tensione (dU/dt) applicata a un dispositivo chiuso. Il superamento della velocità critica porta alla sua apertura non autorizzata. Grandi valori dU/dt sono possibili quando la tensione viene applicata al circuito di carico in un momento vicino al massimo della sinusoide. Possono essere causati da disturbi impulsivi nel circuito commutato o da picchi di tensione quando il circuito di carico induttivo è interrotto. Per ridurre dU/dt e prevenire conseguenze indesiderabili, le uscite dei relè a tiristori vengono deviate con circuiti RC smorzatori, i cui valori degli elementi sono selezionati sperimentalmente. Tipicamente vanno da 20...50 Ohm e 0,01...0,1 µF. Un ulteriore mezzo per aumentare la resistenza del relè ai picchi di tensione è un reattore di ritardo collegato in serie al carico. È un induttore avvolto su un nucleo magnetico con elevata permeabilità magnetica e un anello di isteresi rettangolare. Alle correnti operative, il circuito magnetico è saturo, l'induttanza del reattore è piccola e non influisce sui processi in corso. L'induttanza che aumenta al diminuire della corrente ne rallenta la variazione e ritarda l'inversione di tensione, favorendo la chiusura del tiristore. Riducendo la velocità di aumento della corrente nella fase iniziale di accensione del tiristore, il reattore promuove una distribuzione più uniforme della corrente attraverso la sezione trasversale del cristallo semiconduttore, prevenendo il surriscaldamento locale. Ciò è particolarmente importante quando si utilizzano relè con indice TC su un carico capacitivo o attivo o in modalità di controllo della potenza a impulsi di fase. Inoltre il reattore, aumentando l'impedenza del circuito di carico, aumenta l'efficienza della protezione del varistore. Per i tiristori che funzionano su un carico induttivo, esiste il pericolo di sovracorrente a causa dell'asimmetria dei momenti di commutazione nei semicicli positivi e negativi, che porta alla comparsa di una componente costante della corrente circolante, saturazione dei circuiti magnetici del carico e, di conseguenza, alle sovracorrenti. Il sovraccarico di corrente può anche essere associato alla saturazione dei circuiti magnetici dei carichi induttivi (trasformatori a vuoto, avvolgimenti di comando dei contattori) quando la direzione del loro residuo e la corrente creata al momento dell'attivazione della magnetizzazione coincidono. La corrente di spunto causata da ciò può essere decine di volte superiore alla corrente nominale e il caso di accensione nel momento in cui la fase di tensione passa per lo zero è il caso peggiore. È ottimale accendere il tiristore alla massima tensione o avviarlo “dolcemente”, partendo da piccoli angoli di conduzione. Per azionare un carico induttivo, si consiglia di utilizzare relè con indice TSI, progettati per una maggiore corrente d'urto. L'asimmetria dei momenti di commutazione può essere una conseguenza della differenza nella tensione di commutazione dei tiristori con polarità diverse. Svolge un ruolo significativo se l'ampiezza della tensione commutata supera leggermente la tensione di accensione del tiristore (5... 15 V). L'asimmetria si verifica anche quando il controllo dell'impulso di fase del relè non è corretto, così come quando il tiristore non viene aperto in ogni semiciclo a causa del fatto che la tensione inversa attraversa la "finestra" di accensione troppo rapidamente. Quest'ultimo fattore è uno dei principali che limita la frequenza della tensione di commutazione (solitamente non superiore a 500 Hz). Il funzionamento con un carico capacitivo è caratterizzato dalla possibilità di grandi picchi di corrente nel circuito di alimentazione e dall'effetto sul tiristore di una tensione che raggiunge il doppio dell'ampiezza commutata. Si verifica una corrente di spunto se il relè viene attivato su una fase diversa da zero della tensione di commutazione. Il collegamento di un condensatore scarico con una capacità di 220 μF a una rete di corrente alternata 50 V 100 Hz può causare un picco di corrente con un'ampiezza fino a 31000 A. La velocità di aumento della corrente in un carico con un'induttanza di 1 μH raggiunge 310 A /μs con il valore massimo consentito per i tiristori pari a 20... 160 A/mks. Poiché la tensione di accensione del tiristore è diversa da zero (come notato sopra - 5...15 V), si verificano picchi di corrente in ciascun semiciclo della tensione commutata. Con una capacità di carico di 100 microfarad, l'ampiezza di tali picchi è di 500...1500 A. Generano significative interferenze elettromagnetiche e potenti componenti ad alta frequenza nello spettro della corrente di carico. Questi ultimi sono molto pericolosi per alcuni condensatori, causandone il surriscaldamento e il guasto. Pertanto, per operare su carichi capacitivi, è necessario utilizzare relè con controllo della transizione di fase della tensione attraverso lo zero e con una bassa tensione di accensione, ad esempio con l'indice TMK, che hanno un'accensione normalizzata (4 V) e tensioni di spegnimento (10 V). È noto che dopo che la corrente scende a zero e il tiristore viene spento, la capacità di carico rimane caricata ad una tensione prossima all'ampiezza commutata. Nel semiciclo successivo, al tiristore chiuso verrà applicata la somma di questa tensione e la tensione di rete della polarità opposta, che può raggiungere il doppio dell'ampiezza, ad esempio con una tensione di rete di 380 V ± 10% - 1170 V. In queste condizioni, un relè anche della dodicesima classe di tensione più alta funzionerà al limite delle sue capacità e non può essere protetto dai guasti da parte di un varistore. In questi casi, è consigliabile utilizzare relè che non solo siano accesi, ma anche spenti a tensione zero, ad esempio DC bipolare. Ciò elimina i sovraccarichi di tensione, espande significativamente la gamma di frequenze operative, ma peggiora leggermente le prestazioni energetiche. Per funzionare a frequenze fino a 1 kHz, sono stati sviluppati campioni di relè della serie 5P 66 e sono in corso lavori per espandere la loro gamma di frequenza a decine di kilohertz. Nella fig. La Figura 2 mostra uno schema dell'uso di un relè di inversione monofase U1 per cambiare il senso di rotazione di un motore elettrico monofase M1 con un condensatore di sfasamento C1.
Nella fig. La Figura 3 mostra uno schema di un relè bifase per il controllo di un motore trifase. Gli elementi di commutazione del relè sono convenzionalmente raffigurati come triac, sebbene in alcuni casi siano tiristori collegati uno dopo l'altro.
I circuiti di controllo dei relè non sono mostrati negli schemi. Devono essere disposti in modo da impedire l'alimentazione contemporanea di segnali ai triac aperti VS1 e VS2 (vedi Fig. 2) oppure VS1 e VS4, VS2 e VS3 (vedi Fig. 3). Solo uno di ciascuna coppia dovrebbe essere aperto in qualsiasi momento. Tuttavia, poiché i triac si spengono solo a corrente zero, dopo aver applicato un segnale inverso, alcuni di essi potrebbero essere ancora aperti contemporaneamente. In un dispositivo monofase ciò porterà alla scarica del condensatore di sfasamento C1 attraverso i triac; in un dispositivo trifase ciò porterà ad un cortocircuito interfase. Per eliminare tali situazioni, i relè di inversione hanno un ritardo di attivazione hardware di 20...30 ms, grazie al quale, quando la frequenza di rete è superiore a 40 Hz e inversione “istantanea”, i triac aperti hanno il tempo di chiudersi. Esistono altri motivi per cui a volte i tiristori si accendono contemporaneamente. Ad esempio, la velocità di aumento della tensione fornita da un avviatore elettromagnetico può essere superiore a quella critica per due dispositivi collegati in serie. In questo caso i circuiti RC di smorzamento sono di scarso aiuto poiché vengono bypassati dall'impedenza estremamente bassa della rete di alimentazione. Grandi valori dU/dt possono essere causati da rumore impulsivo o picchi di tensione di commutazione. Fornito nel dispositivo secondo lo schema riportato in Fig. 3, gli induttori L1, L2 in interazione con i condensatori C1-C4 riducono la velocità di aumento della tensione, riducendo la probabilità di un cortocircuito fase-fase. Inoltre, la loro induttanza limita la velocità di aumento della corrente, i cui grandi valori sono distruttivi per i tiristori. Tuttavia, né i circuiti smorzatori né gli induttori garantiscono l'impossibilità di guasti fase-fase. Un metodo generalmente accettato per proteggere i tiristori dalle loro conseguenze (è consigliato per i loro prodotti, ad esempio, Motorola, Siemens, Opto-22) consiste nell'installare resistori limitatori di corrente R1 (vedi Fig. 2) e R1, R2 (vedi Figura 3). I loro valori nominali sono scelti in modo tale che la corrente di guasto fase-fase non superi il valore consentito per il relè di corrente d'urto utilizzato. La durata della sua comparsa non supera la metà del periodo della tensione di rete. Devi sopportare le conseguenze dell'installazione di resistori limitatori: una diminuzione della tensione sugli avvolgimenti del motore elettrico e la necessità di rimuovere il calore generato. RELÈ CC I relè CC con circuiti di uscita basati su IGBT e transistor MOS sono disponibili nei tipi unipolare e bipolare. In quest'ultimo, due transistor di uscita sono collegati in serie back-to-back. Per i transistor MOS, ciò è necessario affinché il canale chiuso di uno di essi impedisca il flusso di corrente attraverso il diodo shunt polarizzato direttamente del secondo (tali diodi sono necessariamente presenti nella struttura MOS). I diodi devono essere introdotti appositamente nelle strutture IGBT, ma per far passare la corrente che scorre nella direzione opposta al transistor. Si noti che vengono prodotti anche i cosiddetti relè CC multicanale con varie combinazioni di circuiti di uscita normalmente chiusi e normalmente aperti. Quando li si utilizza, è necessario tenere conto del fatto che i circuiti di uscita diventano normalmente chiusi solo dopo aver alimentato il relè con tensione di alimentazione da una sorgente collegata galvanicamente agli ingressi di controllo. La tensione residua all'uscita dei relè unipolari sui transistor MOS nello stato aperto dipende dalla resistenza del canale di quest'ultimo ad una temperatura di 25 ° C, che va da unità di milliohm per transistor a bassa tensione a unità di ohm per alta tensione transistor. Quando la temperatura del cristallo aumenta fino al limite (150 °C), questa resistenza quasi raddoppia. I relè bipolari che utilizzano transistor MOS hanno una tensione residua più elevata. Consiste in cadute di tensione attraverso la resistenza di canale di un transistor e attraverso un diodo polarizzato direttamente, derivato dalla resistenza di canale del secondo transistor. La caratteristica corrente-tensione del circuito di uscita di tali relè nello stato attivo a bassa corrente è quasi lineare, quindi si trasforma gradualmente nella caratteristica di un diodo. Il punto di flesso si trova nella regione di 100...200 A per i relè a bassa tensione e unità di ampere per quelli ad alta tensione. Gli elementi di controllo per i transistor di uscita nei relè delle serie 5P 20 (unipolare) e 5P 19 (bipolare) sono fotoaccoppiatori fotovoltaici con una corrente di uscita dell'ordine di diversi microampere. Per questo motivo, la carica della capacità gate-source dei MOSFET avviene piuttosto lentamente, il che porta ad un ritardo nell'accensione del relè di decine di millisecondi. Il ritardo di spegnimento è significativamente inferiore (non più di 1 ms), poiché per scaricare la capacità menzionata sono previste speciali unità a tiristori. I relè ad alta velocità sono caratterizzati da ritardi di attivazione/disattivazione di pochi microsecondi, ma richiedono un'alimentazione aggiuntiva per i circuiti di controllo. Per relè di vario tipo, questa sorgente deve essere collegata galvanicamente all'uscita o all'ingresso del relè. I relè alimentati in ingresso della serie 5P 57 (bipolare) e 5P 59 (unipolare) con ritardo di accensione/spegnimento di pochi microsecondi sono in grado di commutare con una frequenza non superiore a 10...20 Hz, poiché i fotoaccoppiatori fotovoltaici utilizzati in essi non possono reintegrare rapidamente l'energia dissipata durante lo spegnimento. I relè unipolari alimentati dall'uscita della serie 5P 40 possono funzionare con una frequenza di commutazione di decine di kHz. Per alimentarli è necessaria una sorgente di tensione di 10...15 V isolata dai circuiti di ingresso.
Un modo comune per proteggersi dalle alte tensioni che si verificano quando un carico induttivo è disconnesso è quello di deviarlo con un diodo con polarità inversa. La corrente I che scorre attraverso il carico prima che il circuito si rompa, in questo caso diminuisce esponenzialmente con una costante di tempo L/r, dove L e r sono rispettivamente l'induttanza e la resistenza del carico. Parte dell'energia
immagazzinato nell'induttanza del carico viene dissipato sulla sua resistenza attiva, l'altro - sul diodo shunt. Si può dimostrare che per piccoli valori di r la maggior parte dell’energia dissipata avviene nel diodo. Ciò provoca un sovraccarico di quest'ultimo in termini di impulso e, ad alte frequenze di commutazione, anche in termini di dissipazione di potenza media. Se la tensione massima consentita del transistor Uadm è significativamente superiore alla tensione commutata Ucom, la modalità di funzionamento del diodo protettivo faciliterà notevolmente l'inclusione in serie con esso di un resistore con un valore nominale di
In questo caso, al momento dello spegnimento, la tensione all'uscita del relè è pari a + RI viene rilasciata energia sul diodo
(dove Ud - 0,7 V è la caduta di tensione continua attraverso il diodo) e sul resistore -
Pertanto, ad una frequenza di commutazione fcom, la potenza del resistore deve essere almeno
L'introduzione di un resistore ha un altro effetto positivo: riduce il tempo di spegnimento del carico, poiché la costante di tempo del decadimento della corrente in questo caso è uguale a L/(R+r). I relè della serie 5P 19, 5P 20, come già notato, sono caratterizzati da un ritardo di accensione di decine di millisecondi, che limita la frequenza massima
dove lK0M è la corrente commutata. Poiché la durata del decadimento della corrente allo spegnimento è di un ordine di grandezza inferiore a tout, l'energia dissipata in questo caso può essere trascurata. Due modalità operative sono potenzialmente pericolose per i transistor dei relè di potenza: commutazione di un carico stazionario con una frequenza vicina al limite e accensione di un carico con una corrente di avviamento elevata (ad esempio, la corrente di avviamento di una lampada a incandescenza è superiore a 10 volte la valutato uno).
dove ROTKр è la resistenza del circuito di uscita nello stato aperto; Q - ciclo di lavoro (il rapporto tra il periodo di commutazione e la durata dello stato attivo). Ad esempio, su un relè unipolare 5P 20.10 P-5-0,6 (tensione massima - 60 V, corrente - 5 A, R - 0,055 Ohm, resistenza termica ambiente cristallino - 40 ° C / W) con una corrente di carico di 5 A V in stato costantemente acceso, la potenza non verrà rilasciata più di 1,375 W, il che nella maggior parte dei casi causerà un surriscaldamento accettabile del cristallo rispetto all'ambiente di 55 ° C. Tuttavia, commutando lo stesso carico con una frequenza di 10 Hz con un ciclo di lavoro di 2, una tensione di 50 V e tout = 5 ms comporterà un aumento della potenza rilasciata a 2,77 W e un surriscaldamento del cristallo di 110 °C . Ciò non consentirà al relè di funzionare in modo affidabile a temperature ambiente superiori a 40 °C. Nel secondo caso, il valore iniziale della corrente di carico è significativamente maggiore di quello nominale, quindi l'energia di accensione del WBKJ1 potrebbe superare il valore consentito per i transistor del relè. Poiché al diminuire del tnar l'energia di commutazione diminuisce proporzionalmente, è consigliabile commutare carichi inerziali utilizzando relè veloci, ad esempio le serie 5P 57, 5P 59. Come notato sopra, i relè della serie 5P 62 richiedono il collegamento di elementi esterni aggiuntivi per funzionare con una frequenza di commutazione superiore a 10...30 Hz. Come i relè delle serie 5P 57 e 5P 59, la loro sorgente di tensione interna per il circuito di controllo del transistor di uscita ha una potenza media bassa e non può ripristinare rapidamente l'energia spesa quando la capacità di gate del transistor viene scaricata. Per eliminare questo inconveniente, viene progettato un condensatore esterno attraverso il quale, quando il transistor di uscita è spento, ulteriore energia viene “pompata” nel circuito di controllo dalla sorgente di tensione commutata. La capacità ottimale del condensatore dipende dalle condizioni operative del relè, in particolare dalla tensione di commutazione. Pertanto non può essere inserito all'interno del relè. Ogni volta che il transistor di ingresso viene acceso, il condensatore viene scaricato attraverso il circuito di pilotaggio del gate, dissipando energia C U2/2. Se la frequenza di commutazione è sufficientemente elevata, la potenza aggiuntiva rilasciata nel relè raggiunge un valore inaccettabile. Per ridurlo, viene utilizzato un resistore, sul quale viene dissipata una parte significativa dell'energia immagazzinata dal condensatore, e un diodo zener. La tensione di stabilizzazione di quest'ultimo viene scelta in modo tale che al valore minimo della tensione di commutazione il condensatore venga caricato solo a 15 V. CONDIZIONE TERMICA DEL RELÈ Per i relè funzionanti senza dissipatore di calore, la corrente massima commutata è normalizzata in base alla temperatura massima del cristallo degli elementi di potenza Tcr. max (125 °C - per tiristori, 150 °C - per transistor) a temperatura ambiente Tamb = 25 °C. Lo stesso parametro di un relè con dissipatore di calore viene impostato in base alla temperatura massima del cristallo alla temperatura del dissipatore di calore Tto = 75 °C per i relè a tiristori e Tto = 90 °C per i relè a transistor. Gli ultimi due valori sono stati scelti dalla condizione piuttosto arbitraria che la resistenza termica del dissipatore esterno RT0 sia uguale alla resistenza termica “equivalente” del dissipatore cristallino R3kb- Si tenga presente che nel riferimento Nei dati dei relè multifase la resistenza termica viene solitamente indicata “per fase”, quindi “equivalente” la resistenza, ad esempio, di un relè trifase è tre volte inferiore. La relazione principale per i calcoli termici è: Tcr + P(RTO + Ieq) < Tcrlop, dove P è la potenza dissipata dal relè. Nella sezione precedente è stato fornito un esempio di calcolo di questa potenza per un relè CC con uscita MOSFET. Per IGBT si calcola con la formula P = UOCT-lKOM, dove UOCT è la tensione residua sul transistor aperto. La potenza dissipata in una fase di un relè a tiristori si calcola utilizzando la formula empirica P = (0,145 + 0,7UOCT picco) Ieff, dove U0CT picco è il valore di picco della tensione residua sul tiristore acceso; Ieff è il valore efficace della corrente che lo attraversa. Autore: S. Arkhipov, Orel
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