Вариант схемотехнической реализации твердотельного реле переменного тока с контролем функционирования | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 29 января, печатный экземпляр отправим 2 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №17 (359) апрель 2021 г.

Дата публикации: 19.04.2021

Статья просмотрена: 14 раз

Библиографическое описание:

Трубицын, Д. Н. Вариант схемотехнической реализации твердотельного реле переменного тока с контролем функционирования / Д. Н. Трубицын, В. М. Донцов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 17 (359). — С. 39-43. — URL: https://moluch.ru/archive/359/80192/ (дата обращения: 19.01.2022).



Широкое распространение в настоящее время получили твердотельные реле (ТТР) [1] переменного тока на основе силовых полупроводниковых элементов с неполным управлением — тиристоров и симисторов. К их основным преимуществам перед электромагнитными реле, можно отнести:

— отсутствие дребезга и механического износа контактов;

— высокая скорость работы;

— высокая надежность;

— относительная дешевизна.

Возможностью большинства присутствующих на рынке ТТР является лишь коммутация силовой нагрузки по сигналу управления. Однако ряд областей применения ТТР требуют удаленного контроля их работоспособности, в частности, при размещении реле в местах, доступ к которым затруднен [2].

Указанные требования привели к появлению на рынке твердотельных реле с контролем функционирования (КФ). Данные ТТР оснащены сигналом обратной связи «ошибка», оповещающего схему управления о возможном возникновении неисправности, как в самом реле, так и в нагрузке. Типовая функциональная схема подобного реле с оптической гальванической развязкой представлена на рисунке 1.

Типовая функциональная схема ТТР с КФ:

Рис. 1. Типовая функциональная схема ТТР с КФ:

«Uпит». — напряжение питания;

«Uупр». — напряжение управления;

«Ошибка» — выход сигнала ошибки;

«Общ». — общий провод схемы управления

Рассмотрим типичные неисправности, которые могут произойти в ходе эксплуатации ТТР. На рисунке 2 представлена типовая схема включения ТТР.

Типовая схема включения ТТР

Рис. 2. Типовая схема включения ТТР

В таблице 1 представлены возможные состояния выводов ТТР при эксплуатации в зависимости от внешних сигналов.

Таблица 1

Возможные состояния выводов ТТР

Напряжение, U упр.

Напряжение, Uвых.

Ток нагрузки

Описание

1

L

H

L

норма — ТТР выключено

2

H

L

H

норма — ТТР включено

3

L

x

H

сбой — пробой силового элемента

4

L

L

L

сбой — обрыв цепи нагрузки

5

H

H

x

сбой — нет включения

6

H

x

L

сбой — нет включения

Условные обозначения уровней в таблице:

H — высокий уровень напряжения/тока;

L — низкий уровень или отсутствие напряжения/тока;

x — уровень напряжения/тока не имеет значения.

Как видно из таблицы, только состояния 1 и 2 являются допустимыми режимами функционирования ТТР, все остальные — аварийные. Реле с КФ обязано корректно обрабатывать все аварийные состояния, выставляя соответствующий сигнал ошибки.

Тестирование ряда ТТР переменного тока с КФ, представленных на рынке [3; 4], позволило выявить недостатки, присущие большинству из них, а именно:

— неполный контроль состояния реле в соответствии с таблицей 1: часть протестированных реле была не способна определить отказ схемы управления;

— не детектируется неисправность силового выхода в одной полярности (при выходе из строя одного силового ключа);

— невозможность определения обрыва цепи питания: при обрыве питания выход ошибки переводился в состояние «отсутствие ошибки»;

— отсутствие раздельной индикации наличия питания/входного сигнала, что может ввести пользователя в заблуждение относительно причины отказа ТТР.

Для устранения вышеназванных недостатков предлагается оригинальная схемная реализация ТТР переменного тока, представленная на рисунке 3 (функционально схема соответствует рисунку 1).

Предлагаемая схемная реализация ТТР с контролем функционирования (часть схемы):

Рис. 3. Предлагаемая схемная реализация ТТР с контролем функционирования (часть схемы):

«control» — сигнал управления (активный уровень — H);

«Vcc» — напряжение питания схемы;

«Alarm» — выход сигнала ошибки (открытый сток, активный уровень — Z);

L1, T1 — силовые выходы реле;

VS1, VS2 — тиристоры со встроенными помехоподавляющими резисторами по управлению.

Для краткости на рисунке 3 не представлена схема питания реле.

Поясним основные принципы контроля функционирования ТТР, реализованные в предлагаемой схеме:

1) Микросхема DA1 исполняет роль датчика тока выходных каскадов управляющих драйверов DA3, DA4, косвенно контролируя ток нагрузки: при включении драйверов она разряжает фильтрующий конденсатор C1 каждые полпериода силового напряжения, формируя низкий сигнал на резисторе R7.

2) Микросхема DA2 является датчиком выходного напряжения: когда силовые ключи закрыты и входное напряжение велико — на фильтрующем конденсаторе C2 поддерживается напряжение питания.

3) Инвертор сигнала управления DD1.1 и логические микросхемы DD2.1, DD2.2 формируют сигнал на конденсаторе C4 в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Сигнал на конденсаторе C 4 в зависимости

Напряжение управления « control »

Ток драйверов

Напряжение, Uвых.

Напряжение на конденсаторе C4

Описание состояния

L

H

x

H

сбой — есть ток через драйверы при выключенном реле

L

Х

L

H

сбой — низкое напряжение на ключах при выключенном реле (обрыв нагрузки)

L

L

H

L

норма — ТТР выключено

H

L

x

H

сбой — нет тока нагрузки

H

x

H

H

сбой — нет включения силовых ключей

H

H

L

L

норма — ТТР включено

Условные обозначения уровней в таблице:

H — высокий уровень напряжения/тока;

L — низкий уровень или отсутствие напряжения/тока;

x — уровень напряжения/тока не имеет значения.

Из таблицы 2 видно, что высокое напряжение на конденсаторе C4 соответствует неисправному состоянию реле либо нагрузки. Причем схема корректно реагирует на любой вид неисправности, который может возникнуть при эксплуатации ТТР в соответствии с таблицей 1. Далее сигнал с конденсатора C4 формирует сигнал ошибки — размыкает ключ VT4. Выход сигнала ошибки в данной схеме представляет собой «открытый сток». Преимуществом выхода «открытый сток» является также автоматическое появления сигнала ошибки при обрыве цепи питания ТТР.

Также можно выделить дополнительные положительные особенности разработанной схемы:

— коммутация напряжения в нуле фазы (за счет использования соответствующих драйверов);

— раздельная светодиодная индикация наличия питания / сигнала управления / ошибки функционирования;

— защита от перенапряжений по входу и выходу с помощью защитных диодов (TVS);

— повышенная помехозащищенность по цепям управления благодаря использованию входных / выходных буферов с триггерами Шмитта;

— низкий ток управления;

— широкий диапазон напряжений питания (4,2...32 В) и управления (3...32 В);

— сигнал ошибки формируется по схеме «открытый сток», что позволяет корректно определять обрыв цепи питания ТТР;

— высокая нагрузочная способность выхода «Ошибка» (300 мА / 50 В).

Преимущества разработанной схемы ТТР позволяются рекомендовать ее к применению в следующих областях:

— управление удаленными объектами, находящимися в труднодоступной местности;

— системы, требующие повышенной надежности (железнодорожный транспорт, электростанции, системы бесперебойного энергообеспечения и т. д.);

— системы управления и мониторинга производством, в том числе опасные для здоровья производства;

— системы, требующие высокой скорости выявления неисправностей, проведения диагностики и наладки;

— интегрированные системы управления с обратной связью.

Литература:

  1. С. Волошин, С. Архипов. Современные оптоэлектронные приборы для силовой электроники [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.electronics.ru/journal/article/1560 (Дата обращения 21.12.2020)
  2. «Современные тенденции развития твердотельных реле» Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.yumpu.com/xx/document/read/25453477/-pdf- (Дата обращения 23.12.2020)
  3. Реле общего назначения [Электронный ресурс] –Режим доступа: https://carlogavazzi.su/rele-obshhego-naznacheniya-carlo-gavazzi/ (Дата обращения 24.12.2020)
  4. Product Guide [Электронный ресурс] — Режим доступа: https://www.celduc-relais.com/wp-content/uploads/GUIDUK2019.pdf (Дата обращения 24.12.2020)
Основные термины (генерируются автоматически): сигнал ошибки, сигнал управления, сбой, таблица, выход сигнала ошибки, ток нагрузки, переменный ток, напряжение управления, реле, отсутствие напряжения, обрыв цепи питания, обратная связь, TVS, фильтрующий конденсатор, напряжение, контроль функционирования, конденсатор, высокий уровень напряжения, выключенное реле, возможное состояние выводов.


Задать вопрос