Защита цепей постоянного тока

При нарушении нормального режима работы электропривода для исключения выхода из строя электрооборудования и повышения надежности работы схемы в них применяется электрическая защита.

В схемах электропривода применяется следующие виды защит:

Нулевая защита обеспечивает защиту от самозапуска двигателей при чрезмерном понижении или кратковременном исчезновении питающего напряжении сети.

Защита осуществляется линейными контакторами переменного тока и магнитными пускателями и автоматическими выключателями.

При управлении от командоаппарата применяют реле защиты по напряжению.

Рис. Узлы схем нулевой защиты двигателей переменного и постоянного тока с помощью линейных контакторов (а) и реле напряжения (б-г)

Рис. Узлы схем нулевой защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока с помощью автоматического выключателя QF с минимальным расцеплением

Максимально-токовая защита – от к.з.

Осуществляется плавкими предохранителями, максимальными токовыми реле, автоматическими выключателями.

Рис. Узлы схем максимально-токовой защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока, а также цепей схемы управления (в), осуществляемой плавкими предохранителями

Рис. Узлы схем максимально-токовой защиты двигателей переменного (а) и постоянного (б) тока и схемы управления (в), осуществляемой автоматическими выключателями с максимально-токовым расцепителем

Тепловая защита – защита от перегрузок.

Осуществляется электротепловыми реле, максимально-токовыми реле и автоматическими выключателями с тепловыми расцепителями.

Защита действует на отключения двигателя от питающей сети и при последующем включении требует вмешательства оператора.

Рис. Узлы схем тепловой защиты двигателей переменного (а, б) и постоянного (в) тока, осуществляемой тепловыми реле FR с воздействием на линейный контактор (г) и реле напряжения (д)

При работе в ПКР, когда характеристики нагрева реле и двигателя различны, его защиту от перегрузок следует осуществлять с помощью максимально-токовых реле. Ток уставок реле применяется в зависимости от допустимой перегрузки двигателя по отношению к номинальному току двигателя.

Часто такую защиту используют для защиты АД от перегрузок и работе на двух фазах, тогда ток реле принимается из условия

где I_2ф, I_3ф – ток двигателя при работе на двух и трех фазах

Так как ток уставки ниже пусковых токов, то на время пуска контакты реле тока шунтируются контактами реле времени КТ.


Рис. Узлы схем включения контактов тепловой защиты, осуществляемой максимально-токовыми реле FA1 и FA2 при повторно-кратковременном режиме работы двигателя	Рис. Узлы схем тепловой защиты двигателей переменного (а) и пос-тоянного (б) тока, осуществляемой автоматическими выключателями с тепловым расцепителем

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Да какие ж вы математики, если запаролиться нормально не можете. 8465 — | 7349 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Сайт для радиолюбителей

Устройство предназначено для защиты от перегрузки (по силе тока) и коротких замыканий в цепи нагрузки.
Его подключают между источником питания постоянного тока и потребителем. Во многих системах управления нагрузкой электронных блоков являются электромагнитные механизмы, в которых возможно частичное замыкание между собой витков обмотки или полное короткое замыкание цепи обмотки.

Данное устройство имеет малое падение напряжения в рабочем режиме и является системой защиты с «защелкой”, особенность которой состоит в том, что после ее срабатывания и ликвидации причины перегрузки система нуждается в принудительном запуске.

Основные технические характеристики

Напряжение питания . . . . . . . . . . . . . . . . 12 В
Номинальный ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 А
Ток срабатывания (при указанном на схеме сопротивлении резистора R1) . 1,6 А
Падение напряжения при номинальном токе . . . . . . . . . . . . . . 0,4 В
Электрическая принципиальная схема устройства защиты цепей постоянного тока от перегрузок показана на рис.2. Устройство содержит транзисторный ключ, узлы защиты, запуска и индикации. Ключ выполнен на транзисторе VT2, узел защиты – на транзисторе VT1, диодах VD1, VD2, резисторах R1–R3, R6. Узел запуска собран на транзисторах VT3, VT4, резисторах R4, R5, R7, в него же входит кнопка SB1. Транзистор VT3 и резисторы R4, R5 являются защитными элементами узла запуска. Узел индикации состоит из светодиодов HL1, HL2 и резисторов R8, R9.

Принцип работы.
После подключения питания на вход устройства (контакт 1 разъема ХР1) загорается светодиод HL2 «Выкл.”, через нагрузку протекает небольшой ток, задаваемый резистором R9. При замыкании кнопки SB1 «Пуск” открывается транзистор VT4, вследствие протекания тока базы через резистор R7. При включении транзистора VT4 закрывается диод VD1, транзистор VT1 также закрывается, а транзистор VT2 открывается. Устройство самоблокируется, и на нагрузке появляется напряжение, равное разности Uпит=(UкэVT2+UR1). Загорается светодиодный индикатор HL1 «Вкл.”, а индикатор HL2 «Выкл.” гаснет. Кнопку SB1 можно отпустить.
При токовой перегрузке или коротком замыкании происходит следующее: увеличивается падение напряжения на резисторе R1, транзистор VT1 открывается и закрывает транзистор VT2, шунтируя его эмиттерный переход, диод VD2 закрыт. Включенное состояние транзистора VT2 поддерживает цепь VD1, R6. Светодиодный индикатор HL1 «Вкл.” гаснет, а индикатор HL2 «Выкл.” загорается. Когда аварийный режим ликвидирован, чтобы вновь запустить устройство, необходимо кратковременно замкнуть
кнопку SB1. Диод VD3 служит для защиты ключа VT2 от импульсов напряжения обратной полярности в случае индуктивной нагрузки.

Как было сказано выше, транзистор VT3 и резисторы R4, R5 образуют узел защиты транзистора VT4, благодаря которому через транзистор VT4 ограничивается ток перегрузки, в случае если таковая возникла в момент запуска устройства. При этом индикаторы HL1, HL2 светят в половину накала, что свидетельствует о перегрузке, либо светит только один индикатор HL2, что указывает на короткое замыкание. В этом случае кнопку SB1 необходимо держать в нажатом положении 1…3 с, чтобы избежать выхода из строя транзистора VT4 от перегрева. Индикация режимов работы устройства в зависимости от того, нажата или отпущена кнопка SB1, приведена в таблице.

Устройство собирают на печатной плате размерами 40х50 мм, показанной на рис.3, и монтируют в корпусе из стеклотекстолита. Точки «а”, «в” на печатной плате нужно соединить перемычкой. Размеры корпуса устройства 25х45х55 мм.

ж. Радiоаматор 200512 Автор:О.Л. Сидорович, г. Львов

Игнорирование некоторых типов электрических воздействий может привести к повреждению компонентов и, в конечном итоге, к выходу из строя всей системы. Что повышает эффективность схемы защиты и как избежать подводных камней при ее реализации?

Представьте ситуацию Настойчивый звонок от вице-президента по операциям разбудил главного инженера глубокой ночью в пятницу. «Наш завод встал!» — возбужденно сообщил вице-президент. Видимо, в Оклахома-Сити была сильная гроза, которая сопровождалась множественными ударами молний, в результате работа завода была приостановлена. Теперь главный инженер должен прервать свой мини-отпуск с семьей в Кабос-Сан-Лукас и следующим рейсом лететь домой в Оклахому. Остановка завода – это вопрос жизни и смерти для главного инженера, и он должен быть решен немедленно.

Согласно данным Национальной сети США по регистрации грозовых явлений, в штате Оклахома отмечается в среднем за год 1017989 ударов молний. По грозовой активности это второе место после Флориды, где в среднем фиксируется 1,45 млн. ударов молнии в год, а плотность этих ударов на квадратную милю достигает колоссального значения в 25,3.

Что можно сделать, чтобы предотвратить аварийную ситуацию? Как защититься от природных воздействий, которые могут повредить оборудование, остановить производство, прервать ваш отпуск и грозят неприятностями на работе?

Еще совсем недавно схемы защиты были громоздкими, дорогими и сложными в реализации. К счастью, достижения современной схемотехники и микроэлектроники предоставили разработчикам электронных систем надежные и простые в реализации интегральные решения для защиты электрических цепей.

Зачем нужна защита системы?

Неисправности электронных систем могут возникать из-за превышения напряжения, тока, температуры и по другим причинам. Надежная защита имеет важное значение для продуктивной эксплуатации системы. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний. Или, что еще хуже, они сталкиваются с выходом ее из строя уже на заводе. Давайте обсудим три наиболее распространенных типа системных сбоев:

из-за превышения рабочих диапазонов напряжения;
тока;
из-за перегрева оборудования.

Сбой по напряжению питания

Броски напряжения и звон в цепях питания

Удары молнии, перегоревший предохранитель, короткое замыкание, горячая замена отдельных блоков, звон в кабеле и другие причины могут привести к тому, что входное напряжение питания постоянного тока окажется выше или ниже диапазона номинальных значений. На рисунке 1 показан пример короткого замыкания на конце кабеля длиной 10 футов (3 м), что сопровождается переходными процессами в цепи питания постоянного тока, известными также как звон напряжения. При этом напряжение достигает пикового уровня 50,4 В, что почти вдвое выше номинального уровня 24 В. Кроме того, звенящее напряжение также понижается примерно до 11 В (относительно начального напряжения короткого замыкания 0 В). Надежная система должна работать без перерывов при возникновении переходных процессов (звона) в цепи питания, либо, по крайней мере, выдержать его без повреждений.

Рис. 1. Звон напряжения в длинном кабеле после имитации кратковременного короткого замыкания (а), настройки испытательной цепи (б) и схема испытательной цепи (в)

Подобный звон напряжения также возникает во время горячей замены отдельных блоков, когда плата с разряженными конденсаторами подключается к находящейся под напряжением объединительной плате (рисунок 2) или когда где-нибудь в системе перегорает предохранитель. Ситуация еще более ухудшается при расширенном диапазоне питания постоянного тока. Например, стандарт IEC61131-2 определяет для промышленного программируемого логического контроллера (ПЛК) постоянное номинальное напряжение питания 24 В с допуском -15…20% и с дополнительными выбросами переменного тока до уровня +5%. Таким образом, шина питания 24 В постоянного тока может иметь минимальное значение 19,2 В и максимальное значение 30 В. Если мы будем использовать в вышеупомянутом эксперименте источник питания 30 В постоянного тока, тогда скачок пикового напряжения легко достигнет уровня 60 В.

Рис. 2. Горячая замена системной платы

Удар молнии может вызвать высоковольтный скачок напряжения. Для предотвращения его воздействия можно использовать внешнее устройство подавления напряжения переходных процессов, или TVS (Transient Voltage Suppressor), и входной фильтр. Для сглаживания пульсаций напряжения в шинах питания 24 В промышленных систем обычно используют защитные диоды, например SMAJ33A. При бросках напряжения TVS может ограничить повышенное напряжение на уровне 53,3 В. Таким образом, любой электронный компонент, подключенный к шине 24 В, должен выдерживать напряжение не менее 53,3 В.

Входное обратное напряжение

В редких случаях может произойти неправильное подключение системы. Например, автомобильный аккумулятор подключен в обратной полярности. Другой пример – стоечная система, где обслуживающий персонал может неправильно вставить плату или подключить кабель питания в обратной полярности, и так далее. Когда уровень входного напряжения внезапно падает из-за короткого замыкания по входу или низкого уровня сигнала, то выходной конденсатор будет иметь более высокий потенциал, что вызывает состояние обратного напряжения. Аналогичное условие возникает, когда выход внезапно замыкается на шину более высокого напряжения, например, в многожильном связном кабеле. Ошибочные подключения входного обратного напряжения случаются редко, но могут привести к дорогостоящему восстановлению системы и, следовательно, должны быть предотвращены.

Неисправности из-за превышения тока

Перегрузка по току и короткое замыкание

Очевидные неисправности, связанные с током – это перегрузка на выходе и короткое замыкание. Перегрузка по току возникает, когда система работает с превышением возможностей. Короткое замыкание может вызвать неисправный компонент на плате. Бывает даже, что кто-то случайно уронил металлический инструмент на разъем питания или просверлил кабель, — эти действия также могут привести к короткому замыканию. И если плата не защищена, то она может получить непоправимые повреждения или даже загореться.

Бросок пускового тока

Когда плата с разряженными конденсаторами устанавливается в находящуюся под рабочим напряжением систему, происходит бросок тока, устремляющегося в заряжающиеся конденсаторы. Этот неконтролируемый пусковой ток описывается формулой 1:

где I – пусковой ток;
C – емкость;
dv/dt – скорость изменения напряжения на конденсаторе.

Если разряженный конденсатор (при напряжении 0 В) подключен к объединительной плате под напряжением 24 В, то в этом случае дифференциальное значение dv/dt является мгновенным (бесконечно большим), что означает бесконечно большое значение для I (тока). Неуправляемый бесконечно большой пусковой ток может повредить разъемы, взорвать предохранители и вызвать звон в цепях питания на объединительной плате.

Обратный ток

Когда появляется обратное напряжение, как это объяснено в разделе «Входное обратное напряжение», возникающий в обратном направлении ток может привести к серьезному повреждению системы.

Неисправности при чрезмерном выделении тепла

Аварийная защита от превышения температуры

Когда температура системы или компонента достигает опасного уровня, защита от перегрева отключает систему, чтобы предотвратить повреждение и возможное возгорание. Правильно спроектированные системы должны работать, не допуская чрезмерного повышения температуры. Тем не менее, отключение при этом может происходить после возникновения таких неисправностей как:

постоянное состояние перегрузки;
неисправный системный вентилятор;
случайная блокировка входа/выхода охлаждающего воздуха;
отказ системы кондиционирования воздуха в помещении и так далее.

Тепловая защита

В чем разница между тепловой защитой и аварийным отключением при перегреве? Тепловая защита имеет больше интеллектуальных функций. Вместо того чтобы ожидать, пока температура достигнет уровня отключения, тепловая защита выдает системе предупреждение и альтернативные варианты, когда из-за первичного повреждения температура выйдет за пределы рабочего диапазона. Система может выбирать допустимые нагрузки, работать с пониженной частотой коммутации и так далее, чтобы уменьшить рассеиваемую энергию. Таким образом, при перегреве можно предотвратить отключение системы и снижение производительности до устранения основной неисправности.

Системные защитные решения

Выбор схемы

Разработчики, которые хотят надежно защитить свои электронные продукты, при проектировании схемы сталкиваются с необходимостью решения разного рода задач . Дискретная или частично интегральная реализация защиты требует большого количества внешних компонентов. Набор допусков и погрешностей параметров всех компонентов нуждается в серьезном анализе и проверке, гарантировать устойчивую длительную работоспособность системы непросто. из-за большого количества компонентов габаритные размеры изделия увеличиваются.

Современные защитные функции системы

В идеальном случае защита системы должна иметь высокую степень интеграции, быть простой в проектировании и не затруднять сертификацию проекта. Вот некоторые ключевые особенности современной защиты на базе ИС (интегральных схем):

интегрированные полевые транзисторы типов PFET и NFET для защиты от прямого/обратного напряжения/тока;
интегрированные прецизионные датчики тока;
программируемые повышенное/пониженное напряжения, пороги ограничения тока и режимы реакции на неисправности;
тепловая защита с предупреждающей сигнализацией.

Пример современного системного защитного решения

Чтобы защитить разработанную мной систему от всех рассмотренных ранее схемных неисправностей, я выбрал микросхему MAX17608/9. На сегодняшний день это одна из наиболее надежных и компактных ИС для защиты от бросков высокого напряжения при токе нагрузки до 1 А, отличающаяся высокой степенью интеграции. Эти электронные компоненты соответствуют наиболее строгим стандартам производственной безопасности и потребностям в миниатюризации, поскольку габаритные размеры модульных стоек ПЛК продолжают сокращаться, а внутренности стоек уплотняются вместе с увеличением количества портов ввода/вывода.

На рисунке 3 показана принципиальная схема на основе MAX17608/9. Диапазон напряжения питания этой ИС +4,5…+60 В. Она может выдерживать отрицательное входное напряжение до -65 В. MAX17608/9 включает в себя интегрированные PFET и NFET для защиты от повышенного прямого/обратного напряжения/тока. Микросхема использует программируемые превышение/понижение напряжения, пороги ограничения тока, режимы реагирования на неисправности и тепловую защиту с аварийной сигнализацией. Эта ИС выпускается в крошечном 12-контактном корпусе TDFN-EP и занимает на плате площадку 3х3 мм.

Рис. 3. Подключение компактной защитной ИС MAX17608/9 с высокой степенью интеграции

Помимо наличия целого ряда подходящих мне для использования функций, эта микросхема характеризуется очень высокой точностью измерения тока – на уровне ±3%. Собранная из отдельных компонентов защитная схема обычно имеет точность порядка ±20%. Мне также нужно следить за током, потребляемым системой, и я очень доволен тем, что напряжение на выводе SETI позволяет это легко делать.

Заключение

Все электронные системы подвержены неисправностям из-за бросков напряжения, тока, в результате перегрева и из-за ряда других причин. Для создания работоспособной системы необходима надежная защита. Разработчики, которые не учитывают эти факторы, испытывают сложности уже на этапе проверочных испытаний своей системы. Или, что еще хуже, они могут столкнуться с выходом ее из строя уже на предприятии. От ошибок никто не застрахован, но не стоит рисковать, когда у вас есть выбор защитного решения.