Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Защите источников питания посвящено довольно много узкоспециализированных научных трудов, но мы рассмотрим лишь наиболее часто используемые средства и системы защиты источников питания.

Пожалуй, одной из самых важных задач, решаемых при проектировании источника питания, является реализация системы защиты от перегрузок. Ведь даже очень кратковременные токовые перегрузки или же возникшее короткое замыкание может привести к таким нехорошим ситуациям как перегрев, аварии, и даже и к воспламенению, что чревато пожаром. А если в каскаде ток коллектора IGBT или истока MOSFET станет больше предельного значения или если напряжение участка коллектор-эмиттер или сток исток превзойдет максимально допустимое, рабочая точка транзистора покинет зону безопасной работы – результат, вышедший из строя транзистор.

Принцип построения защиты источников питания

Если система защиты трансформатора от насыщения отсутствует, то при возникновении насыщения трансформатора индуктивность его обмоток резко снизится, результатом чего станет резкий скачок тока. Это может привести к выходу из строя не только трансформатора, но и других устройств, подключенных к нему. Аварийный режим возникнет и при «защелкивании» IGBT транзистора, при резком повышении питающего напряжения, а также в других случаях. Можем сделать вывод, что системы защиты от перегрузок – важнейший атрибут современных источников питания. Необязательное их применение лишь в некоторых редких случаях.

Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Тепловая инерционность работающих в импульсных источниках питания транзисторов и диодов довольно малы и разрушение кристаллов полупроводников может произойти в течении всего нескольких микросекунд, а в некоторых случаях и быстрее. По этой причине выход элементов из строя может произойти раньше, чем сработает защита.

Именно поэтому разработчик должен применить именно ту защиту, которая наиболее подходит для решения поставленной задачи. Любая система защиты должна отрабатывать различные перегрузки в процессе эксплуатации источника питания, обладать требуемым быстродействием, не должна оказывать влияние на выходной сигнал источника питания. Также, по возможности, необходимо минимизировать ее энергопотребление и количество компонентов в ней. К тому же, в некоторых случаях, после срабатывании она должна возвращаться в исходное положение. По принципу реализации защиты подразделяют на три тира:

  • Пассивные – компоненты таких систем получают энергию от возмущающего воздействия;
  • Активные – сами генерируют сигнал о перегрузке, который сама система защиты и отрабатывает. Питаются, как правило, такие устройства от вспомогательных источников питания;
  • Схемотехнические – компоненты таких систем могут автоматически регулировать свое состояние, таким образом самостоятельно предотвращая свое разрушение;

Аварийный режим может вызывать не только выходом из строя компонентов источника питания, но и внешними факторами, такими как резкий скачок напряжения питания.

Устройство для защиты генератора от обратной активной мощности

Союз Советских.СоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п 936175(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЦИТЫ ГЕНЕРАТОРА ОТ ОБРАТНОЙ АКТИВНОЙ МОЦНОСТИ Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты синхронного генератора, работающего параллельно с другими генераторами в автономной системе электро 5 снабжения, номинальная мощность которой соизмерима с мощностью потребителя, в частности для защиты генераторов в составе многоагрегатной автоматизированной дизель-электростанции.Известны устройства для защиты генератора, содержащие измерительные преобразователи тока и напряжения генератора, фазочувствительные элементы, формирующие сигнал, пропорциональ; ный фазе между током и напряжением или активной мощности генератора и исполнительные органы. Эти устройства производят отключение контактов неисправного генератора с,минимальной 20 задержкой по сигналу .от фазочувствительного элемента при изменении направления активной мощности генератора 11 123 и 3) Недостатком таких устройств явля». ется низкая помехозащищенность, которая приводит к отключению исправного генератора при наличии больших обменных колебаний активной мощности между параллельно работающими генераторами, или при переходных процессах в системе электроснабжения, сопровождающих изменение нагрузки на шинах или изменение количества параллельно работаю» щих генераторов.Известно устройство, содержащее поименованные элементы и, дополнительно, элемент задержки прохождения сигнала на отключение контактора генератора при появлении на нем обратной активной мощности 43.Недостатками данного устройства является то, что при наличии истинной обратной активной мощности на генераторе задержка его отключения приводит к снижению частоты переменного тока в системе. Причем, наиболее тяжелый режим в системе появляется, 93617когда обратная активная мощность возникает на ведущем генераторе, обязанностью которого является поддержание номинальной частоты на шинах и нагрузка на котором служит эталоном дляостальных генераторов, Остальные генераторы в этом случае, стремясь выровнять свою нагрузку относительнонагрузки на ведущем, сбрасывают мощность. При этом снижение частоты на 1 ошинах происходит особенно быстро и задержка отключения такого генератораприводит к авариям в системе электроснабжения,Наиболее близким по техническойсущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является устройство,содержащее измерительные преобразователи тока и напряжения генератора,входы которых подклюцены к входам20Фазочувствительного элемента, выходкоторого подключен к входу компаратора, Фиксирующего момент измеренияфазы тока, элемент задержки, формирующей выходной сигнал под действиемпоследовательности импульсов с выходакомпаратора, соответствующей неоднократно и часто повторяющейся сменефазы тока,и исполнительный орган 51.Недостатками данного устройстваявляются возможность существенногоснижения частоты переменного токав системе электроснабжения до того,как будет отключен неисправный гене-ратор, а также недостаточная помехо 35устойчивость, так как оно реагируеттолько на факт появления обратноймощности без учета ее значения, цто вслучае малой нагрузки на генераторах и больших обменных мощностей меж 40ду ними, вызванных неравномерностьювращения первичных приводов, можетпривести к ложному отклонению исправного генератора,Цель изобретения — отключение45генератора с обратной активной мощностью без снижения частоты переменного тока в системе электроснабжения,а также повышение помехоустойчивостиустройства.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для защиты генератора от обратной активной мощности,содержащее измерительные преобразователи тока и напряжения, подключенныевходами к Фазам защищаемого генератора, а входами — к входам Фазоцувтвительного элемента, к выходу которогоподключены поспедовательно соединенные компаратор элемент задержки и исполнительный орган дополнительно введены элемент контроля работы генератора и логический блок, при этом выход элемента контроля подключен кпервому входу логического блока, квторому входу которого подключенвыход компаратора, а к остальным входам подклюцены выходы логических блоков устройства защиты от обратной мощности на других генераторах, а выходлогического блока подключен на одиниз входов, начиная с третьего,каждого из упомянутых логических блоков.На чертеже изображена функциональная схема устройства.Устройство содержит измерительные преобразователи тока 1 и напряжения 2, подключенные к входам фазочувствительного элемента 3, выход которого подключен к входу компаратораВыход компаратора через элементзадержки 5 подключен к исполнительному органу 6, Логический блок 7,элемент контроля работы генератора8, логицеские блоки 9 защиты от обратной активной мощности на других генераторах, выход 10 логического блока 7подключенный к одному из входов каждого из логических блоков 9, первыйвход 11 логического блока 7 подклю-,ченный к выходу элемента контроля 8,второй вход 12 подключенный к выходукомпаратора 1 и и-й вход подключенный к одному из выходов логи скихблоков 9. Логический блок реализуетфункцию вида 10=11 х 12 хп, Фазочувствительный элемент 3 формирует навыходе сигнал пропорциональный значению обратной активной мощности,Устройство работает следующим образом,При отсутствии обратной активноймощности на работающем генератореполярность сигнала с выхода Фазочувствительного элемента такова, цто компаратор ч, элемент 5 задержки и исполнительный орган 6 отключены. На входе11 логического блока 7 — единица» навходе .12 — «ноль», и если на остальных входах «нули , свидетельствующиео том, что ни один из генераторов,работающих параллельно с данным генератором не является ведущим, тона выходе 10 появляется сигнал, равный «единице»опредепяющий данныйгенератор в качестве ведущего. Этотсигнал поступает в блоки 9 защиты9361на других генераторах и запрещает формирование на них сигнала «ведущий генератор», Появление обратной активной мощности на данном генераторе вызывает изменение полярности сигнала на выходе фазочувствительного элемента 3. Если при этом обратная мощность превышает некоторое предельно допустимое значение, то включается компара. тор 4. Процесс изменения направления 1 о активной мощности на генератореносит неравномерный характер, что вызывает неоднократные изменения значения и полярности сигнала на выходе фазочувствительного элемента 3, при 5 этом на выходе компаратора 4 появляет» ся последовательность импульсов, при-чем по мере роста обратной активной мощности на данном генераторе длительность их увеличивается, а интерващ лы между ними сокращаются. Первый же импульс с выхода компаратора 4, поступивший на вход 1 логического блока 7, сменяет сигнал на выходе 10 с «единицы на «ноль», С этого момента данныйг генератор перестает быть ведущим и снимается запрет на формирование сигнала «ведущий генератор» в других устройствах 9 защиты генераторов. После чего один из остальных параллельно ) работающих генераторов становится ве. дущим и начинает поддерживать номинальную частоту в системе. Если обратная активная мощность на данном генераторе продолжает сохраняться достаточно длительное время, то последовательность импульсов с выхода компаратора 4 накопит достаточный сигнал в элементе 5 задержки и 4 О вызовет его включение. При этом включается исполнительныйорган б,который отключает контактор данного генератора. Таким образом, кратковременное появление обратной активной мощности на генераторе вызываеттолько передачу функции ведущего с него на другой генератор и не приводит к отключению этого генератора. Длительное же появление обратной активной мощности 75 6на данном генераторе вызывает сначала передачу функции ведущего с него на другой генератор, затем с достаточно большой, порядка 7-10 с, выдерж» кой времени отключение генератора.Формула изобретенияустройство для защиты генератораот обратной активной мощности, содержащее измерительные преобразователи тока и напряжения, подключенныевходами к фазам защищаемого генератора, а выходами — к входам фазочувствительного элемента, к выходукоторого подключены последовательносоединенные компаратор, элемент задержки и исполнительный орган, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью отключения генератора с обратной активной мощностью без снижениячастоты переменного тока в системеэлектроснабжения, а также повышенияпомехоустойчивости устройства, в него дополнительно введены элемент.контроля работы генератора и логический блок, при этом выход элементаконтроля подключен к первому входулогического блока, к второму входукоторого подключен выход компаратора, а к остальным входам подключенывыходы логических блоков устройствзащиты от обратной мощности на дру-,гих генераторах, а выход логическогоблока подключен на один из входов,начиная с третьего, каждого из упомянутых логических блоков.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРМ 525194, кл. Н 02 Н 3/40, 1974.2. Патент Англии У 1234519,кл. Н 2 К, 19683. Патент Японии й 41-71813,кл. Н 2 К, 1966.Патент Англии й 1096412,кл.Н 2 К, 1964.Патент Англии И 1524475,кл.Н 2 К, 1978.936175Составитель А,Васильев Редактор Н.Воловик Техред Д, Пекарь Корреоста аз 4235/63 Тираж 669 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская набд.4/5Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная,


Смотреть

Основные компоненты источников питания

К компонентам, осуществляющим защитные функции можно отнести IGBT, MOSFET, биполярные транзисторы, тиристоры, transil, стабилитроны, плавкие предохранители, автоматические выключатели с биметаллическими пластинами и другие защитные элементы.

Защитные контактные элементы (контакторы и реле) имеют очень низкое быстродействие, но в свою очередь на их контактах падает незначительное напряжение (ввиду их малого сопротивления), что значит малые потери.

В полупроводниковых (бесконтактных) защитных устройствах все наоборот, они имеют быстродействие и надежность выше, чем контактные компоненты, но потери на них значительно выше, что иногда приводит к установке охладителей на них.

Сдвиг по фазе

Как известно, в бытовой электросети применяется переменное напряжение. Если его изобразить на графике, то получится синусоида (волна). По оси ординат определяется напряжение, а по абсцисс – время. Учитывая, что частота в сети 50 Гц, фаза длится 1/50 секунды. За это время на графике потенциал фазы возрастает от 0 до +220. Потом падает до -220 и возрастает опять до 0, то есть полный цикл. Теперь представим, что подключили нагрузку, например, утюг и появился ток.

Добавим на графике еще одну синусоиду теперь уже тока, а не напряжения. Руководствуясь законом Ома, определим его величину для каждого полупериода и увидим, что получилась идентичная синусоида, в которой гребни и впадины волн по вертикали полностью совпадают с графиком напряжения. Другими словами, ток не отстает и не опережает напряжение, то есть сдвига нет.

Ситуация кардинально меняется, когда вместо утюга включаем в цепь пылесос или вентилятор. Если посмотреть на графики, полученные на осциллографе, то увидим, что ток отстает от напряжения, то есть происходит сдвиг тока по фазе. Величина сдвига определяется через косинус угла сдвига и является коэффициентом мощности.

Представим работу генератора. В момент вращения, когда южный полюс, возбуждающей обмотки ротора, выравнивается с магнитопроводом статора индукционной катушки фазы «А», напряжение фазы достигает пикового значения. По мере проворачивания ротора напряжение фазы «А» падает. А теперь добавим схему с вентилятором, когда ток отстает от напряжения. Это значит, что ток достигнет пика позже, чем напряжение и ротор уже провернется на какой-то угол. Вот именно этот угол и называется «φ».

Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Защиты, применяемые в источниках питания

Для защиты от пробоя управляющего электрода высоким напряжением параллельно к выводам затвор-эмиттер IGBT или затвор–исток MOSFET подключают transil или стабилитроны.

Чтоб защитить ключевые полупроводниковые элементы, например IGBT или транзисторы биполярные, от слишком большого обратного напряжения параллельно к выводам коллектор-эмиттер тоже подключают transil или стабилитроны.

Для уменьшения скорости возрастания напряжения, или как принято обозначать в каталогах dU/dt, которое также может привести к порче полупроводниковых элементов, между выводами сток-исток производят подключения оппозитного диода, который более быстродействующий, чем паразитный p-n переход данного транзистора. Могут также с выводами сто-исток транзистора MOSFET последовательно подключить внешний диод.

При этом к трансформаторной обмотке импульсного источника питания параллельно подключают стабилитрон или диод, таким образом обеспечивая «срез» индуктивного выброса напряжения. В случае использования безтрансформаторного источника питания для организации защиты выпрямительных диодов моста в процессе подключения его к сети (при использовании емкостного фильтра конденсатор имеет большой зарядный ток) последовательно по отношению к сети устанавливают термисторы – устройства имеющие большое сопротивление в холодном состоянии и малое в нагретом.

Для организации защиты при возникновении аварийного перенапряжения последовательно в силовой цепи подключаются плавкие предохранители или же автоматические выключатели, а после них параллельно питающим проводам подсоединяют варисторы, имеющих нелинейное сопротивление.

Варистор – это резистор, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжению, если напряжение превысит значение лимитированного то его сопротивление резко снизится. В случае превышения сетевого напряжения сопротивление варистора резко упадет и тем самым он зашунтирует силовые шины. При длительном перенапряжении варистор может перегреться и выйти из строя. При шунтировании ток, который резко возрастет, должен вызвать срабатывания автоматического выключателя или плавкого предохранителя, который разорвет цепь.

Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Для измерения насыщения трансформатора используют датчики Холла, пояс Роговского или трансформаторы параметрические. Датчики Холла генерируют сигнал в задающий генератор на изменение скважности импульсов или их запрете.

Если существует необходимость в измерении тока ключевых элементов источников малой или средней мощности последовательно им могут подключать резисторы, имеющие малое сопротивление 0,05 – 2 Ома. Измерив падения напряжений на этом резисторе можно определить его ток. Но поскольку на резисторе выделяются потери, то при измерении переменного тока могут использовать трансформаторы тока.

Последовательно импульсным трансформаторам с целью обеспечения токовой защиты подключают измерительные трансформаторы тока. Сигнал с них выпрямляется, фильтруется и подается на выводы управляющей микросхемы.

Системы защит довольно разнообразны. Решения об использовании какой-то из них необходимо принимать руководствуясь конкретным техническим заданием на изготовления изделия.


Нагрузка

В данном контексте под понятием нагрузка подразумеваются все электроприборы, которые применяются в доме или квартире и потребляют электроэнергию. Наверняка всем известно, что такое КПД – коэффициент полезного действия. Этот параметр определяет сколько электроэнергии затрачивается на полезное действие, а сколько на побочный эффект. Например, взять лампу накаливания, ее главная задача светить, но при этом она еще нагревается. Приблизительно 40% затраченной энергии тратится на нагрев и лишь 60% на свет. Отсюда КПД = 0,6. Здесь все просто, но вот существует еще и коэффициент мощности или как говорят косинус фи. Что же это такое?

Компенсация реактивной энергии

В силу характера работы таких приборов избежать эффекта реактивной энергии нельзя, но его можно компенсировать. Можно провести эксперимент, подключив в сеть катушку (трансформатор на холостом ходу) и замерив ток в цепи. Важно не показание, а его наличие. Теперь рассмотрим такую же схему с конденсатором вместо катушки. Ток также будет. Это значит, что никакой работы не производится, а счетчик считает.

Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Если же подключить катушку и конденсатор параллельно, то амперметры 1 и 2 покажут ток на катушке и на емкости. В то же время амперметр 3 при условии равенства коэффициента мощности обеих потребителей покажет значение ноль. Задача выполнена и сдвиг тока в одну сторону компенсирован аналогичным сдвигом в другую сторону.

Защита обратной последовательности (Страница 1) — Учимся делать расчёты

Именно по этому принципу и работает так называемый «генератор обратной мощности». Но как это работает на практике и какая будет экономия?

Промышленные компенсаторы реактивной энергии

На любом предприятии есть определенный набор оборудования и четкий алгоритм работы. Это значит, что суммарный сдвиг по фазе можно определить подсчетом или замерами. За счет этого несложно подобрать нужную емкость конденсаторной батареи и рассчитать периодичность ее подключения. На практике подобные установки позволяют сэкономит до 4% электроэнергии, что при общем расходе в тысячи или десятки тысяч киловатт довольно ощутимо.

Важно! Применение компенсаторов реактивной энергии вполне законно.

Коэффициент мощности

На графике коэффициент мощности – это расстояние по оси абсцисс между волной напряжения и тока, а вычисляется оно через косинус угла сдвига. К примеру, угол сдвига 60°, а cos 60° = 0,5, в результате коэффициент мощности такого потребителя равен 0,5. Это означает, что 50% потребляемой электроэнергии преобразуется в полезное действие, а остальные 50% возвращаются обратно в сеть. При этом электросчетчик учитывает всю электроэнергию и за нее нужно платить. Можно ли сделать так, чтобы реактивная энергия не учитывалась – да, но для начала следует учитывать множество нюансов.

Внимание! Не следует путать компенсаторы реактивной энергии с устройствами для «отмотки» электросчетчика. За применение вторых предусматривается уголовная ответственность.

Сигнализация о замыкании на землю

В сетях 6-10 кВ, где нейтраль изолирована, работа с «землей» возможна некоторое время. Но замыкание нужно активно искать. И чем раньше начнется поиск, тем лучше.

Для контроля изоляции используются вольтметры, подключенные к обмоткам ТН на фазные напряжения.

В сети без повреждений все они показывают одинаковую величину. Стоит случиться однофазному замыканию, как показания вольтметра поврежденной фазы снизятся. Вольтметр покажет ноль при полном устойчивом КЗ. Так определяется фаза с повреждением.

Но, чтобы взглянуть на вольтметры, нужно сгенерировать предупредительный сигнал.

Для этого используется контроль величины 3Uo с помощью реле.

При его срабатывании зажигается табло, привлекающее к себе внимание.

Величину 3Uo принято регистрировать с помощью самопишущих приборов, а также она обязательно записывается аварийными осциллографами или микропроцессорными терминалами в момент любой аварии, даже не связанной с замыканиями на землю.

Еще один пример применения сигнализации, работающей от 3Uo, связан с эксплуатацией установок компенсации емкостных токов.

Отключать разъединитель дугогасящей катушки запрещено при наличии «земли» в сети. Для этого рядом с коммутационным устройством устанавливается индикаторная лампа, либо блок-замок рукоятки блокируется при наличии 3Uo системой автоматики.

Бытовые устройства

Целесообразность покупки генератора обратной мощности для дома остается под большим сомнением. Производители таких устройств попросту не могут знать какая техника у вас дома, когда и сколько работает пылесос, вентилятор, какой мощности у вас холодильник и сколько в доме электроники с конденсаторами и блоками питания. Обычно подобные устройства рассчитываются, как говорится, «на глаз» и речи о 5% экономии быть не может. Максимум чего можно достичь – это 0,5 или от силы 1 %. Учитывая цену перелагаемых в интернете устройств, при такой эффективности их окупаемость почти нулевая. Так стоит ли?

Намного эффективнее применить этот принцип индивидуально и на основе замеров угла отклонения самому подобрать нужную емкость для каждого более-менее мощного оборудования с электродвигателем.

Поделиться:

Share on facebook
Share on twitter
Share on pinterest
Share on linkedin
Share on vk
Share on whatsapp

Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показанОбязательные для заполнения поля помечены *

*

Популярные статьи:

Май 2022
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

Категории:

Для авторов
Возможно многие из Вас обладают хорошими знаниями в сфере строительства и ремонта.

Мы предлагаем Вам заработать на своих знаниях получать дополнительный доход.

Что от Вас требуется:

  1. умение писать уникальные статьи;
  2. отличное знание русского языка;
  3. наличие свободного времени;
  4. желание.

Подробности здесь...
Посетители сайта
1 посетитель просматривают эту страницу.
Пользователей: 1 робот

Сейчас читают:

Если вы хотите получать уведомления на свой E-mail о появлении новых статей, то рекомендуем вам чуть ниже ввести свой электронный почтовый адрес.