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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Aplicación de relés optoelectrónicos de estado sólido de media potencia. Dato de referencia
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Referencias El artículo presenta algunas características de los relés optoelectrónicos de potencia media producidos por Proton-Impulse JSC. La información proporcionada en él será útil para todos los lectores que utilicen o desarrollen varios interruptores de tiristores y transistores de circuitos de potencia. La tabla da una idea del sistema de designación y nomenclatura de los relés fabricados.
Puede encontrar información más detallada sobre ellos en el sitio web del fabricante. . Todos los relés optoelectrónicos se pueden dividir en dos grupos principales: corriente alterna con elementos de potencia basados en triacs y tiristores, corriente continua unipolar y bipolar con IGBT o transistores MOS en circuitos de potencia. Su diferencia fundamental es que los relés de CA se caracterizan por una controlabilidad parcial: una interrupción en el circuito de alimentación siempre ocurre solo con corriente cero. Esto proporciona ciertos beneficios para las cargas inductivas al eliminar las sobretensiones que se producen al apagar. Es muy difícil utilizar este tipo de relés en circuitos de CC. Pero los relés de CC bipolares son capaces de conmutar corriente alterna. Uno de los criterios para elegir un relé para una aplicación específica puede ser la potencia disipada por su elemento de potencia. Cuando se opera en circuitos de corriente alterna con un voltaje de 220...380 V y corrientes de más de varios amperios, los tiristores son 3...5 veces mejores que los IGBT en este indicador. La relación entre la potencia disipada por el IGBT y el transistor MOS es aproximadamente igual al valor numérico de la corriente en amperios. RELÉ DE CA Entre los relés de tiristores se encuentran monofásicos normalmente cerrados y normalmente abiertos para una corriente de 1...100A; trifásico normalmente abierto para corriente 10... 100 A; reversible monofásico, bifásico y trifásico para corriente 10...40 A con protección incorporada contra cortocircuito entre fases e inversión instantánea; dual para una corriente de 1 A o más con control independiente, con y sin punto de salida común. La clase del relé para el voltaje de ruptura de salida puede ser del cuarto (al menos 400 V) al duodécimo (al menos 1200 V), y el valor máximo permitido del voltaje de aislamiento entre los circuitos portadores de corriente de entrada y salida y el disipador de calor. es 1500 o 4000 V. Los relés con índice TM proporcionan control de la fase cero de la tensión conmutada (se encienden solo cuando el valor instantáneo de esta tensión es cercano a cero, lo que reduce el ruido generado). Los relés con índice TC no tienen esta propiedad. Los circuitos de control de relés pueden ser de corriente (Fig. 1,a, corriente nominal - 10...25 mA) o potencial (Fig. 1,b - voltaje constante 4...7 o 3...30 V, Fig. 1 , en - alternando 6..30 o 110...280 V). Con control de corriente, solo se producen relés monofásicos y de dos canales, con control de potencial, de todos los tipos. En varias modificaciones, el lugar de la resistencia R1 (ver Fig. 1,6 y c) puede ser ocupado por un estabilizador de corriente, y el capacitor de "apagado" C1 (ver Fig. 1, c) puede estar ausente. Si un relé (por ejemplo, polifásico) tiene varios diodos emisores, se pueden conectar en serie o en paralelo.
Las estructuras de tiristores son muy sensibles a exceder el voltaje permitido, lo que provoca averías irreversibles. El método principal para proteger la salida del relé es puentearlo con un varistor. Se recomiendan varistores CH2-1, CH2-2 con un coeficiente de no linealidad superior a 30 y una energía de disipación de 10...114 J. Al elegir, se debe partir del hecho de que el voltaje de clasificación del varistor (en el que la corriente a través de él alcanza 1 mA) debe exceder el valor de amplitud del conmutado y ser menor que el voltaje de ruptura de los tiristores. Es necesario tener en cuenta la posible inestabilidad y variación tecnológica de estos parámetros. En igualdad de condiciones, para conmutar una corriente mayor se requieren relés de una clase de voltaje más alta. Esto se debe a la dependencia del voltaje del varistor de salida. Otra característica de las estructuras de tiristores es la sensibilidad a la tasa de aumento de voltaje (dU/dt) aplicada a un dispositivo cerrado. Superar la velocidad crítica provoca su apertura no autorizada. Son posibles valores grandes de dU/dt cuando se aplica voltaje al circuito de carga en un momento cercano al máximo de la sinusoide. Pueden deberse a ruidos impulsivos en el circuito conmutado o a sobretensiones cuando se interrumpe el circuito de carga inductiva. Para reducir dU/dt y evitar consecuencias indeseables, las salidas de los relés de tiristores se derivan con circuitos RC de amortiguación, cuyos valores se seleccionan experimentalmente. Normalmente oscilan entre 20...50 ohmios y 0,01...0,1 µF. Un medio adicional para aumentar la resistencia del relé a las sobretensiones es un reactor de retardo conectado en serie con la carga. Es un inductor enrollado sobre un núcleo magnético con alta permeabilidad magnética y un bucle de histéresis rectangular. A las corrientes de funcionamiento, el circuito magnético está saturado, la inductancia del reactor es pequeña y no afecta los procesos en curso. La inductancia que aumenta al disminuir la corriente ralentiza su cambio y retrasa la inversión de voltaje, ayudando a cerrar el tiristor. Al reducir la tasa de aumento de corriente en la etapa inicial de encendido del tiristor, el reactor promueve una distribución más uniforme de la corriente a través de la sección transversal del cristal semiconductor, lo que evita el sobrecalentamiento local. Esto es especialmente importante cuando se operan relés con índice TC en una carga capacitiva o activa o en modo de control de potencia de pulso de fase. Además, el reactor, al aumentar la impedancia del circuito de carga, aumenta la eficiencia de la protección del varistor. Para los tiristores que funcionan con carga inductiva, existe el peligro de sobrecorriente debido a la asimetría de los momentos de conmutación en los semiciclos positivo y negativo, lo que conduce a la aparición de un componente constante de la corriente que fluye, saturación de los circuitos magnéticos de carga. y, en consecuencia, a sobrecorrientes. La sobrecarga de corriente también puede estar asociada con la saturación de circuitos magnéticos de cargas inductivas (transformadores sin carga, devanados de control de contactores) cuando coincide la dirección de su residual y la corriente creada en el momento de activar la magnetización. La corriente de entrada causada por esto puede ser decenas de veces mayor que la corriente nominal, y el caso de encendido en el momento en que la fase de voltaje pasa por cero es el peor de los casos. Lo óptimo es encender el tiristor al voltaje máximo o arrancarlo "suavemente", comenzando desde pequeños ángulos de conducción. Para operar una carga inductiva, se recomienda utilizar relés con índice TSI, diseñados para una mayor corriente de choque. La asimetría de los momentos de conmutación puede ser consecuencia de la diferencia en la tensión de conmutación de los tiristores en diferentes polaridades. Desempeña un papel importante si la amplitud del voltaje conmutado excede ligeramente el voltaje de encendido del tiristor (5... 15 V). La asimetría también ocurre cuando el control de pulso de fase del relé es incorrecto, así como cuando el tiristor no se abre en cada medio ciclo debido a que el voltaje inverso cruza la "ventana" de encendido demasiado rápido. El último factor es uno de los principales que limita la frecuencia del voltaje de conmutación (generalmente no más de 500 Hz). Trabajar con una carga capacitiva se caracteriza por la posibilidad de grandes sobretensiones en el circuito de alimentación y el efecto sobre el tiristor de una tensión que alcanza el doble de la amplitud conmutada. Se produce una corriente de irrupción si el relé se enciende en una fase distinta de cero de la tensión de conmutación. La conexión de un condensador descargado con una capacidad de 220 μF a una red de corriente alterna de 50 V 100 Hz puede provocar un aumento de corriente con una amplitud de hasta 31000 A. La tasa de aumento de corriente en una carga con una inductancia de 1 μH alcanza los 310 A. /μs siendo el valor máximo permitido para tiristores 20... 160 A/mks. Dado que el voltaje de encendido del tiristor es diferente de cero (como se señaló anteriormente: 5... 15 V), se producen picos de corriente en cada medio ciclo del voltaje conmutado. Con una capacidad de carga de 100 microfaradios, la amplitud de tales sobretensiones es de 500...1500 A. Generan importantes interferencias electromagnéticas y potentes componentes de alta frecuencia en el espectro de corriente de carga. Estos últimos son muy peligrosos para algunos condensadores, provocando su sobrecalentamiento y avería. Por lo tanto, para operar con cargas capacitivas, se deben utilizar relés con control de la transición de fase del voltaje a través de cero y con un voltaje de encendido bajo, por ejemplo, con el índice TMK, que tienen un encendido normalizado (4 V). y voltajes de apagado (10 V). Se sabe que después de que la corriente cae a cero y se apaga el tiristor, la capacitancia de carga permanece cargada a un voltaje cercano a la amplitud conmutada. En el siguiente medio ciclo, la suma de este voltaje y el voltaje de red de polaridad opuesta se aplicará al tiristor cerrado, que puede alcanzar el doble de amplitud, por ejemplo, con un voltaje de red de 380 V ± 10% - 1170 V. En estas condiciones, un relé incluso de la duodécima clase de voltaje más alta funcionará al límite de sus capacidades y no puede ser protegido contra averías mediante un varistor. En tales casos, es aconsejable utilizar relés que no solo estén encendidos, sino también desconectados a tensión cero, por ejemplo, CC bipolar. Esto elimina las sobrecargas de voltaje, amplía significativamente el rango de frecuencia de funcionamiento, pero empeora un poco el rendimiento energético. Para funcionar a frecuencias de hasta 1 kHz, se han desarrollado modelos de relés de la serie 5P 66 y se está trabajando para ampliar su rango de frecuencia a decenas de kilohercios. En la Fig. La Figura 2 muestra un diagrama del uso de un relé inversor monofásico U1 para cambiar el sentido de rotación de un motor eléctrico monofásico M1 con un condensador desfasador C1.
En la Fig. La figura 3 muestra un diagrama de un relé bifásico para controlar un motor trifásico. Los elementos de conmutación del relé se representan convencionalmente como triacs, aunque en algunos casos son tiristores conectados espalda con espalda.
Los circuitos de control de relés no se muestran en los diagramas. Deben estar dispuestos de tal manera que impidan el suministro simultáneo de señales a los triacs abiertos VS1 y VS2 (ver Fig. 2) o VS1 y VS4, VS2 y VS3 (ver Fig. 3). Sólo uno de cada par debe estar abierto en cualquier momento. Sin embargo, debido a que los triacs se apagan solo con corriente cero, después de aplicar una señal inversa, es posible que algunos de ellos aún estén abiertos al mismo tiempo. En un dispositivo monofásico, esto provocará la descarga del condensador de desplazamiento de fase C1 a través de los triacs, en un dispositivo trifásico, provocará un cortocircuito entre fases. Para eliminar tales situaciones, los relés de inversión tienen un retraso en el encendido del hardware de 20...30 ms, por lo que, cuando la frecuencia de la red es superior a 40 Hz y la inversión "instantánea", los triac abiertos tienen tiempo de cerrarse. Hay otras razones por las que a veces los tiristores se activan simultáneamente. Por ejemplo, la tasa de aumento de voltaje suministrada por un arrancador electromagnético puede ser mayor que la crítica para dos dispositivos conectados en serie. Los circuitos RC de amortiguación no ayudan en este caso, ya que son puenteados por la impedancia extremadamente baja de la red de suministro. Los valores elevados de dU/dt pueden deberse a ruidos impulsivos o sobretensiones de conmutación. Proporcionado en el dispositivo según el diagrama mostrado en la Fig. 3, los inductores L1, L2 en interacción con los condensadores C1-C4 reducen la tasa de aumento de voltaje, lo que reduce la probabilidad de un cortocircuito entre fases. Además, su inductancia limita la tasa de aumento de la corriente, cuyos valores grandes son destructivos para los tiristores. Sin embargo, ni los circuitos amortiguadores ni los inductores garantizan la imposibilidad de que se produzcan fallas entre fases. Un método generalmente aceptado para proteger a los tiristores de sus consecuencias (recomendado para sus productos, por ejemplo, Motorola, Siemens, Opto-22) es instalar resistencias limitadoras de corriente R1 (ver Fig. 2) y R1, R2 (ver Fig. 3). Sus clasificaciones se eligen de manera que la corriente de falla entre fases no exceda el valor permitido para el relé de corriente de choque utilizado. La duración de su aparición no excede la mitad del período de tensión de la red. Hay que soportar las consecuencias de instalar resistencias limitadoras: una disminución del voltaje en los devanados del motor eléctrico y la necesidad de eliminar el calor generado. RELÉ CC Los relés de CC con circuitos de salida basados en IGBT y transistores MOS están disponibles en tipos unipolares y bipolares. En este último, dos transistores de salida están conectados en serie espalda con espalda. Para los transistores MOS, esto es necesario para que el canal cerrado de uno de ellos impida el flujo de corriente a través del diodo en derivación polarizado directamente del segundo (dichos diodos están necesariamente presentes en la estructura MOS). Los diodos deben introducirse especialmente en las estructuras IGBT, pero para hacer pasar la corriente que fluye en la dirección opuesta al transistor. Tenga en cuenta que también se producen los llamados relés de CC multicanal con varias combinaciones de circuitos de salida normalmente cerrados y normalmente abiertos. Al usarlos, se debe tener en cuenta que los circuitos de salida normalmente se cierran solo después de suministrar al relé tensión de alimentación desde una fuente conectada galvánicamente a las entradas de control. El voltaje residual en la salida de relés unipolares en transistores MOS en estado abierto depende de la resistencia del canal de este último a una temperatura de 25 ° C, desde unidades de miliohmios para transistores de bajo voltaje hasta unidades de ohmios para alto voltaje. transistores. A medida que la temperatura del cristal aumenta hasta el límite (150 °C), esta resistencia aproximadamente se duplica. Los relés bipolares que utilizan transistores MOS tienen una tensión residual más alta. Consiste en caídas de voltaje a través de la resistencia del canal de un transistor y a través de un diodo polarizado directamente, desviado por la resistencia del canal del segundo transistor. La característica corriente-voltaje del circuito de salida de tales relés en el estado encendido a baja corriente es casi lineal y luego gradualmente se convierte en la característica de un diodo. El punto de inflexión se encuentra en la región de 100...200 A para relés de baja tensión y unidades de amperios para los de alta tensión. Los elementos de control para transistores de salida en relés de las series 5P 20 (unipolar) y 5P 19 (bipolar) son optoacopladores fotovoltaicos con una corriente de salida del orden de varios microamperios. Por esta razón, la carga de la capacitancia puerta-fuente de los MOSFET se produce con bastante lentitud, lo que provoca un retraso en la activación del relé de decenas de milisegundos. El retraso en la desconexión es significativamente menor (no más de 1 ms), ya que se proporcionan unidades de tiristores especiales para descargar la capacitancia mencionada. Los relés de alta velocidad se caracterizan por retrasos de encendido/apagado de unos pocos microsegundos, pero requieren una fuente de alimentación adicional para los circuitos de control. Para relés de varios tipos, esta fuente debe estar conectada galvánicamente a la salida o entrada del relé. Los relés alimentados por entrada de las series 5P 57 (bipolar) y 5P 59 (unipolar) con retardos de encendido/apagado de unos pocos microsegundos son capaces de conmutar con una frecuencia no superior a 10...20 Hz, ya que los optoacopladores fotovoltaicos utilizados en ellos no pueden reponer rápidamente la energía disipada durante el apagado. Los relés unipolares alimentados por la salida de la serie 5P 40 pueden funcionar a una frecuencia de conmutación de decenas de kHz. Para alimentarlos se requiere una fuente de voltaje de 10...15 V, aislada de los circuitos de entrada.
Una forma común de protegerse contra los altos voltajes que se producen cuando se desconecta una carga inductiva es derivarla con un diodo con polaridad inversa. La corriente I que fluye a través de la carga antes de que se rompa el circuito, en este caso disminuye exponencialmente con una constante de tiempo L/r, donde L y r son la inductancia y la resistencia de la carga, respectivamente. parte de la energía
almacenado en la inductancia de la carga se disipa en su resistencia activa, el otro, en el diodo en derivación. Se puede demostrar que para valores pequeños de r, la mayor parte de la energía disipada se produce en el diodo. Esto provoca una sobrecarga de este último en términos de impulsos y, en caso de altas frecuencias de conmutación, también en términos de disipación de potencia media. Si el voltaje máximo permitido del transistor Uadm es significativamente mayor que el voltaje conmutado Ucom, el modo de funcionamiento del diodo protector facilitará significativamente la inclusión en serie de una resistencia con un valor nominal de
En este caso, en el momento del apagado, el voltaje en la salida del relé es igual a + RI. Se libera energía en el diodo.
(donde Ud - 0,7 V es la caída de voltaje directo a través del diodo), y en la resistencia -
Por lo tanto, a una frecuencia de conmutación fcom, la potencia de la resistencia debe ser al menos
La introducción de una resistencia tiene otro efecto positivo: reduce el tiempo de desconexión de la carga, ya que la constante de tiempo de la caída de corriente en este caso es igual a L/(R+r). Los relés de las series 5P 19, 5P 20, como ya se señaló, se caracterizan por un retardo de encendido de decenas de milisegundos, lo que limita la frecuencia máxima
donde lK0M es la corriente conmutada. Dado que la duración de la caída de corriente al desconectar es un orden de magnitud menor que en total, en este caso se puede despreciar la energía disipada. Dos modos de funcionamiento son potencialmente peligrosos para los transistores de relé de potencia: cambiar una carga estacionaria con una frecuencia cercana al límite y encender una carga con una corriente de arranque grande (por ejemplo, la corriente de arranque de una lámpara incandescente es más de 10 veces la clasificado como uno).
donde ROTKр es la resistencia del circuito de salida en estado abierto; Q - ciclo de trabajo (la relación entre el período de conmutación y la duración del estado encendido). Por ejemplo, en un relé unipolar 5P 20.10 P-5-0,6 (voltaje máximo - 60 V, corriente - 5 A, R - 0,055 ohmios, resistencia térmica cristal-ambiente - 40 ° C / W) con una corriente de carga de 5 A V en estado constantemente encendido, la potencia liberada no superará los 1,375 W, lo que provocará un sobrecalentamiento aceptable del cristal en relación con el medio ambiente de 55 ° C en la mayoría de los casos. Sin embargo, cambiar la misma carga con una frecuencia de 10 Hz con un ciclo de trabajo de 2, un voltaje de 50 V y todo = 5 ms provocará un aumento de la potencia liberada a 2,77 W y un sobrecalentamiento del cristal de 110 °C. . Esto no permitirá que el relé funcione de manera confiable a temperaturas ambiente superiores a 40 °C. En el segundo caso, el valor inicial de la corriente de carga es significativamente mayor que el nominal, por lo que la energía de encendido de WBKJ1 puede exceder el valor permitido para los transistores de relé. Dado que al disminuir tnar la energía de conmutación disminuye proporcionalmente, es aconsejable conmutar cargas inerciales utilizando relés de alta velocidad, por ejemplo, las series 5P 57, 5P 59. Como se señaló anteriormente, los relés de la serie 5P 62 requieren la conexión de elementos externos adicionales para funcionar a una frecuencia de conmutación de más de 10...30 Hz. Al igual que los relés de las series 5P 57 y 5P 59, su fuente de voltaje interna para el circuito de control del transistor de salida tiene una potencia promedio baja y no puede reponer rápidamente la energía gastada cuando se descarga la capacitancia de la puerta del transistor. Para eliminar este inconveniente, se diseña un condensador externo a través del cual, cuando se apaga el transistor de salida, se "bombea" energía adicional al circuito de control desde la fuente de voltaje conmutada. La capacitancia óptima del condensador depende de las condiciones de funcionamiento del relé, en particular de la tensión de conmutación. Por lo tanto, no se puede insertar dentro del relé. Cada vez que se enciende el transistor de entrada, el capacitor se descarga a través del circuito de activación de la compuerta, disipando energía C U2/2. Si la frecuencia de conmutación es lo suficientemente alta, la potencia adicional liberada en el relé alcanza una cantidad inaceptable. Para reducirlo se utiliza una resistencia, sobre la que se disipa una parte importante de la energía almacenada por el condensador, y un diodo zener. La tensión de estabilización de este último se elige de modo que al valor mínimo de la tensión de conmutación el condensador se cargue sólo a 15 V. ESTADO TÉRMICO DEL RELÉ Para relés operados sin disipador de calor, la corriente conmutada máxima se normaliza en función de la temperatura máxima del cristal de los elementos de potencia Tcr. máx (125 °C - para tiristores, 150 °C - para transistores) a temperatura ambiente Tamb = 25 °C. El mismo parámetro de un relé con disipador de calor se establece según la temperatura máxima del cristal a la temperatura del disipador de calor Tto = 75 °C para relés de tiristores y Tto = 90 °C para relés de transistores. Los dos últimos valores se eligieron a partir de la condición bastante arbitraria de que la resistencia térmica del disipador de calor externo RT0 es igual a la resistencia térmica "equivalente" del disipador de calor de cristal R3kb. Debe tenerse en cuenta que en la referencia En los datos de los relés multifásicos, la resistencia térmica generalmente se indica "por fase", por lo que la resistencia "equivalente", por ejemplo, de un relé trifásico es tres veces menor. La relación principal para los cálculos térmicos es: Tcr + P(RTO + Ieq) < Tcrlop, donde P es la potencia disipada por el relé. En la sección anterior se proporcionó un ejemplo de cálculo de esta potencia para un relé de CC con salida MOSFET. Para IGBT se calcula mediante la fórmula P = UOCT-lKOM, donde UOCT es el voltaje residual en el transistor abierto. La potencia disipada en una fase de un relé de tiristores se calcula mediante la fórmula empírica P = (0,145 + 0,7UOCT pico) Ieff, donde U0CT pico es el valor máximo de la tensión residual en el tiristor encendido; Ieff es el valor efectivo de la corriente que fluye a través de él. Autor: S. Arkhipov, Orel
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