Бесконтактные коммутационные устройства в системах автоматизации и электропривода

Общие сведения 

Вспомним, что бесконтактным электрическим аппаратом (БЭА) называется устройство коммутации, предназначенное для включения и отключения нагрузки в электрической цепи без физического разрыва самой цепи. Основой для создания бесконтактной коммутационной аппаратуры (БКА) являются активные электронные компоненты (тиристоры, симисторы, биполярные и полевые транзисторы, элементы и модули на основе MOSFET- и IGBT-структур) с нелинейным сопротивлением, величина которого под воздействием управляющего сигнала изменяется в широком диапазоне, практически от нуля до существенных значений импеданса.

Беспрецедентный рост использования БКА и изделий на её основе в системах автоматизации и электропривода обусловлен несомненными преимуществами по сравнению с электромеханическими элементами:

• отсутствие электрической дуги при переключениях, что в большинстве случаев способствует снижению электромагнитных помех и требований к защищённости компонентов устройств;

• практически неограниченное количество циклов коммутации в цепях;

• наличие существенных возможностей и перспектив в плане миниатюризации комплектных устройств автоматизации и электропривода;

• почти полное отсутствие механического износа и неприятностей, связанных с этим;

• возможность реализации значительной частоты коммутации, что даёт внушительные преференции в системах регулирования и управления технологическими процессами.

На рис. 1 представлена обобщённая структура бесконтактных устройств, используемых в современных системах автоматического управления в качестве исполнительных уст­ройств.

Тем не менее, характерные особенности, а иногда и уникальность применения БКА в системах автоматизации и электропривода, обусловлены рядом существенных недостатков:

а) отсутствие полного («сухого») разрыва цепи и полноценной гальванической развязки, которые определяются соотношением обратного R_обр и прямого R_пр сопротивлений – R_обр/R_пр = 10⁴–10⁷, y электромеханической аппаратуры это отношение составляет 10¹⁰–10¹⁴;

б) критичная реакция на неизбежные для реальных цепей перегрузки по току, что выражается предельным соотношением для большинства элементов БКА: I_max/I_н ≤ 10, где I_н – номинальный ток, I_max – максимальный ток;

в) чрезмерная чувствительность к сверхтокам и перенапряжениям.

О некоторых особенностях функционирования базовых элементов БКА в цепях постоянного и переменного тока

Как уже отмечалось, подавляющее большинство изделий БКА в настоящее время реализуется на основе таких базовых элементов, как тиристоры (симисторы), MOSFET- и IGBT-транзисторы.

Известно, что коммутируемые электрические цепи в промышленных системах автоматики и электропривода содержат в основном активно-индуктивные нагрузки, что связано с определёнными ограничениями и особенностями при переключениях в реальных исполнительных схемах. В этой связи обсудим некоторые из них.

Если не рассматривать в деталях общеизвестный процесс включения тиристора как основного элемента БКА в цепях переменного тока до этапа установления стационарного тока (задержка, регенерация, модуляция базы и т.д.), то изменения тока фазы и напряжения на силовых выводах 1, 2 (рис. 2) характеризуются зависимостями тока i = f(t) и напряжения u = f(t), где t – время, для случаев активной (R) и комплексной нагрузок (RL и RC).

Условные обозначения: I_уст – значение стационарного тока; U_c – коммутируемое напряжение; L – индуктивность; С – ёмкость; R – активное сопротивление; RС – активно-ёмкостное сопротивление; RL – активно-индуктивное сопротивление; u_{1, 2} – напряжение на тиристоре; i – ток через тиристор; t – время.
Рис. 2. Зависимости тока i(t) и напряжения u(t) на силовых выводах тиристорного коммутатора

При активно-индуктивной нагрузке (обмотки трансформаторов, реле, контакторов, электродвигателей и т.д.) скорость нарастания тока в цепи БКА зависит от постоянной времени, а процесс включения начинается при определённой величине тока. В этом случае значительные индуктивности затягивают процесс переключения и общее время включения возрастает. Кроме этого, наличие индуктивности в коммутируемой цепи приводит к искажению формы напряжения на зажимах питания, что влечёт возникновение всплесков напряжения, опасных для БКА и других элементов, и широкого спектра электромагнитных помех, оказывающих крайне негативное влияние на надёжность функционирования уст­ройств автоматизации. Работа коммутаторов, твердотельных реле, тиристорных пускателей в электрических цепях исполнительного звена систем автоматизации неизменно сопровождается появлением гармонических составляющих в питающей сети, возникающих в моменты коммутации тока (когда скорость изменения тока di/dt велика), а также коммутационными провалами и выбросами, затухающими колебательными процессами, обусловленными резонансными процессами между индуктивными элементами питающей сети и ёмкостями фильтров компенсирующих устройств.

Безусловно, при проектировании исполнительного звена систем автоматизации с использованием БКА важно учитывать эти обстоятельства и принимать необходимые меры для снижения их влияния, в частности, учитывать параметры нагрузок сети, а также применять сетевые фильтры, пассивные демпфирующие RC-цепи, ограничители перенапряжений и т.д.

На рис. 3 представлены наиболее распространённые силовые схемы коммутирующих элементов, используемых в твердотельных реле, коммутаторах и бесконтактных устройствах электроавтоматики в цепях переменного тока.

В настоящее время в качестве коммутирующих элементов в цепях постоянного тока устройств автоматики достаточно часто применяются твердотельные реле и различные ключевые схемы на базе MOSFET- и IGBT-транзисторов. В большинстве случаев для таких транзисторных ключей требуется жёсткая коммутация активно-индуктивной нагрузки с продолжительным временем включения, когда постоянная времени цепи нагрузки L/R значительно выше, чем возможный рабочий период коммутации T = 1/f. В отличие от твердотельных реле на базе тиристорных (симисторных) ключей, транзисторные бесконтактные элементы работают без пассивных демпфирующих цепей, как известно, благодаря наличию так называемого «динамического» перехода, создаваемого в дрейфовой зоне при переключении. Однако, что характерно для таких БКА, – это рассеивание значительной энергии переключения, которая определяется как интегральная площадь в пределах траектории переключения (рис. 4): W = ∫(u ∙ i) dt.

Условные обозначения: U_СС – напряжение источника сигнала; U_СЕ – напряжение коллектор–эмиттер, U_DЕ – напряжение сток–исток; I_C – ток коллектора; I_D – ток стока; I_L – ток цепи нагрузки RL; U_OC, U_DO – напряжение на транзисторах в выключенном состоянии
Рис. 4. Схемы ключей на базе IGBT (а), MOSFET-транзистора (б) и примерные графики (в) изменения токов при включении и отключении активно-индуктивной нагрузки

На рис. 4 показаны примерные графики изменения токов для ключей при включении и выключении активно-индуктивной нагрузки.

Наличие обратного диода необходимо в целях предотвращения разрыва тока при коммутации активно-индуктивной нагрузки в цепи постоянного тока:

• обратный диод при включении транзистора способствует удерживанию обратного напряжения до тех пор, пока транзистор полностью не закончит процесс переключения тока нагрузки. В связи с этим ток стока (MOSFET) или коллектора (IGBT) достигнет значения тока нагрузки до того, как почти обнулится уровень напряжения коллектор–эмиттер (сток–исток) в процессе отпирания транзистора;

• обратный диод при выключении транзистора способствует удержанию тока нагрузки. В процессе выключения это происходит, когда напряжение коллектор–эмиттер (сток–исток) превысило уровень коммутируемого напряжения ещё до того, как ток коллектора (стока) снизится до значения тока отсечки.

Методы и средства защиты от аномальных режимов

Тема обеспечения надлежащей защиты изделий БКА от аномальных режимов в цепях постоянного и переменного тока достаточно обширна, требует отдельного и обстоятельного рассмотрения.

Если не брать во внимание сложные многофункциональные устройства плавного пуска и тиристорные пускатели, обладающие встроенными аппаратными электронными защитами, то основными средствами защиты практически для всей номенклатуры БКА (рис. 1) являются внешние элементы, обеспечивающие защиту коммутаторов и твердотельных реле от токов короткого замыкания, перегрузки и перенапряжений. Лишь некоторые изделия имеют схемотехнические встроенные решения, позволяющие в течение доли полупериода питающего напряжения обнаружить превышение тока и снять управление с силовых элементов, тем самым предотвратив выход их из строя. Кроме того, некоторые виды твердотельных реле располагают встроенными RC-цепями для защиты от ложного включения при работе с индуктивными нагрузками. Как правило, защита от перенапряжения осуществляется с помощью варисторов, подключаемых параллельно нагрузке, и при скачке входного напряжения осуществляется рассеивание энергии в виде тепла. После окончания импульса перенапряжения варистор восстанавливает свои свойства для последующей работы.

По результатам эксплуатации твердотельных реле и коммутаторов более 80% случаев выхода из строя происходят от превышения тока (перегрузка или короткое замыкание). Наиболее эффективным и простым методом защиты от сверхтоков на сегодняшний день являются быстродействующие предохранители, которые включаются со стороны нагрузки (рис. 5).

Условные обозначения: FU – быстродействующий предохранитель; Z_н – полное сопротивление (активное, реактивное и ёмкостное); U – коммутируемое напряжение; 1, 2 – точки подключения коммутируемого напряжения к управляющему элементу; 3, 4 – точки подключения управляющего сигнала к управляющему элементу.
Рис. 5. Типовая схема подключения элементов защиты от перенапряжения и сверхтоков

Использование автоматических выключателей не обеспечивает защиту от перегрузки и короткого замыкания, так как силовые элементы БКА выдерживают такой аномальный режим в лучшем случае не более одного периода питающего напряжения (< 20 мс). В настоящее время намечается перспектива встраивания быстродействующих электронных защит, способных обеспечить надёжное отключение силового элемента в пределах 3…5 мс при достаточно разумной цене по отношению к стоимости всего изделия.

Выбор быстродействующих предохранителей FU (плавких и восстанавливаемых) должен осуществляться с учётом значения номинального тока, исходя из соотношения: I_FU = (1,2…1,3)I_н.

При этом твердотельное реле или коммутатор должен быть выбран с запасом (критерием служит отношение I_н/I_нагр, где I_н – номинальный ток, I_нагр – ток нагрузки):

• для активной нагрузки ≥ 1,5;

• для обмотки электродвигателей ≥ 8;

• для катушки контакторов, клапанов и т.д. ≥ 6.

В плане рекомендации можно сказать, что для обеспечения корректной работы силовых элементов БКА при малых токах нагрузки, соизмеримых с токами утечки, рекомендуется шунтировать нагрузку сопротивлением, номинал которого выбирается из расчётных соотношений параметров нагрузки и элементов конкретной схемы (рис. 5).

Возможности интеграции БКА в системы автоматизации и электропривода

Ранее упоминалось, что БКА является элементной базой для построения исполнительного уровня систем автоматизации различных технологических комплексов, оснащённых современными средствами управления с развитыми коммуникационными интерфейсами и специальными устройствами сопряжения, позволяющими эффективно поддерживать связь с исполнительными устройствами. Таким образом, интерфейс управления может содержать:

• управляющие программируемые и фиксируемые цифровые входы;

• транзисторные, симисторные и релейные выходы, фиксированные и программируемые;

• аналоговые входы (обычно программируемые);

• аналоговые выходы (только в устройствах плавного пуска и тиристорных пускателях);

• последовательные порты передачи данных: RS-485, USB, RS-232, SPI, CAN.

В настоящее время всё чаще для передачи информации при удалённом управлении используются беспроводные технологии, в основном с использованием GSM-модемов.

Наличие интерфейса пользователя больше характерно для устройств плавного пуска и полнофункциональных тиристорных пускателей, этот интерфейс может содержать:

• многоязычный дисплей (светодиодный, жидкокристаллический);

• дискретные светодиодные указатели состояния устройства;

• архив событий (до 1000 позиций с датой и временем);

• архив ошибок (100 позиций с датой и временем);

• счётчики наработки, количества пусков, расхода энергии на запуск в кВт·ч;

• мониторинг параметров эксплуатационных режимов (ток, напряжение, мощность и т.д.);

• программируемый экран пользователя;

• многоуровневая защита доступа.

Твердотельные трёхфазные реле (нереверсивные и реверсивные) обычно используются для включения, выключения и реверса асинхронного двигателя, нагревательных систем. Отличительными особенностями реле являются:

• оптронная развязка управляющих сигналов от силовых цепей;

• наличие управляющего входа блокировки включения реле;

• необходимость внешнего источника постоянного либо переменного тока при наличии внутреннего преобразователя АС/DC.

Это упрощает подключение и согласование выходных цепей терминалов, контроллеров, модулей расширения промышленных компьютеров с исполнительными устройствами, выполненными на базе БКА.

Большинство интеллектуальных устройств БКА (устройства плавного пуска, тиристорные пускатели, программируемые коммутаторы) для связи с управляющими комплексами, как правило, используют простые промышленные интерфейсы RS-232 и RS-485. В последние годы нельзя не заметить тенденции использования беспроводных сетей для связи с БКА, чему способствует в определённой степени развитие такого направления, как промышленный Интернет вещей (IIoT). Ряд компаний-производителей уже предлагает законченные решения для этих целей, включающие:

• создание специализированных микросхем и модулей, ориентированных на расширение коммуникационных возможностей БКА;

• разработку комплексных решений для подключения к проводным Ethernet/Интернет-сетям;

• выпуск микросхемы и модулей с функциями преобразователей интерфейсов RS-232 (RS-485) и Ethernet для встраивания в структуру интеллектуальных изделий БКА.

Выводы

Для достижения эффективного использования БКА в системах автоматизации и электропривода необходимо:

• учитывать особенности режимов работы нагрузки, особенно в части продолжительности превышения тока и скорости его изменения;

• из-за крайне высокой чувствительности к перенапряжениям принимать меры к защите от превышения напряжения со стороны источника питания, особенно в случае наличия параллельно подключённых нагрузок с большой индуктивностью;

• в связи с отсутствием гальванической развязки в цепи и видимого разрыва адекватно оценивать уровень безопасности эксплуатации применительно к конкретным условиям. ● 

E-mail: akis_tula@inbox.ru