Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов

Представлены результаты экспериментальных исследований дребезга контактов интерфейсных реле при выполнении операций их включения и отключения в нормальном режиме и в режиме ускорения срабатывания. Приводятся рекомендации по применению малогабаритных интерфейсных реле в системах управления коммутаци...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автори:	Клименко, Б.В., Ересько, А.В., Варшамова, И.С., Лелюк, Н.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2016
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні машини та апарати
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147040
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов / Б.В. Клименко, А.В. Ересько, И.С. Варшамова, Н.А. Лелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 1. — С. 21-25. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-147040
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1470402025-02-23T17:44:21Z Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов Research of the applications possibility of interface relay in hybrid switching systems of bistable actuators windings Клименко, Б.В. Ересько, А.В. Варшамова, И.С. Лелюк, Н.А. Електричні машини та апарати Представлены результаты экспериментальных исследований дребезга контактов интерфейсных реле при выполнении операций их включения и отключения в нормальном режиме и в режиме ускорения срабатывания. Приводятся рекомендации по применению малогабаритных интерфейсных реле в системах управления коммутационных аппаратов с гибридной коммутацией электрических цепей обмоток бистабильных актуаторов. Представлені результати експериментальних досліджень деренчання контактів інтерфейсних реле при виконанні операцій їх вмикання та вимикання в нормальному режимі та в режимі прискорення спрацьовування. Наводяться рекомендації щодо практичного застосування малогабаритних інтерфейсних реле в системах керування комутаційних апаратів з гібридною комутацією електричних кіл обмоток бістабільних актуаторів. Purpose. Development of methods of experimental determination of action coordination characteristics of semiconductor and mechanical switching elements in systems of hybrid commutation of bistable actuators coils taking into account contact bounce of mechanical switching elements. Consideration of the application possibility of interface relay as mechanical switches, and the definition of the duration of the intervals to ensure coordination of the relay operation with semiconductor switches. Methodology. Experimental determination of the time intervals between the moments of switching transistor which controls the relay coil, and power transistor when the switching on and off operations using a hybrid switching device are performed; statistical processing of experimental results. Results. The durations of the time intervals between the moments of switching of semiconductor and mechanical switching elements in systems of actuator coils hybrid commutation are experimentally determined. A way of a significant reduction of the duration of the indicated time intervals is considered and experimentally confirmed. Originality. The scheme of the power circuit of the control system with hybrid commutation of the actuator coil circuit, which differs from the known schemes that the only semiconductor switching element performs functions of the current switching on and off, and electromechanical relay contact elements act as a router interconnecting electrical circuits during dead times. Practical value. The use of hybrid switches instead of switches with semiconductor switches will significantly reduce the cost of the actuators control system, as well as reduce their sizes. 2016 Article Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов / Б.В. Клименко, А.В. Ересько, И.С. Варшамова, Н.А. Лелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 1. — С. 21-25. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.1.04 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147040 621.318 ru Електротехніка і електромеханіка application/pdf Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Клименко, Б.В. Ересько, А.В. Варшамова, И.С. Лелюк, Н.А. Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов Електротехніка і електромеханіка
description	Представлены результаты экспериментальных исследований дребезга контактов интерфейсных реле при выполнении операций их включения и отключения в нормальном режиме и в режиме ускорения срабатывания. Приводятся рекомендации по применению малогабаритных интерфейсных реле в системах управления коммутационных аппаратов с гибридной коммутацией электрических цепей обмоток бистабильных актуаторов.
format	Article
author	Клименко, Б.В. Ересько, А.В. Варшамова, И.С. Лелюк, Н.А.
author_facet	Клименко, Б.В. Ересько, А.В. Варшамова, И.С. Лелюк, Н.А.
author_sort	Клименко, Б.В.
title	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
title_short	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
title_full	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
title_fullStr	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
title_full_unstemmed	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
title_sort	исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/147040
citation_txt	Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов / Б.В. Клименко, А.В. Ересько, И.С. Варшамова, Н.А. Лелюк // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 1. — С. 21-25. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT klimenkobv issledovanievozmožnostiprimeneniâinterfejsnyhrelevsistemahgibridnojkommutaciiobmotokbistabilʹnyhaktuatorov AT eresʹkoav issledovanievozmožnostiprimeneniâinterfejsnyhrelevsistemahgibridnojkommutaciiobmotokbistabilʹnyhaktuatorov AT varšamovais issledovanievozmožnostiprimeneniâinterfejsnyhrelevsistemahgibridnojkommutaciiobmotokbistabilʹnyhaktuatorov AT lelûkna issledovanievozmožnostiprimeneniâinterfejsnyhrelevsistemahgibridnojkommutaciiobmotokbistabilʹnyhaktuatorov AT klimenkobv researchoftheapplicationspossibilityofinterfacerelayinhybridswitchingsystemsofbistableactuatorswindings AT eresʹkoav researchoftheapplicationspossibilityofinterfacerelayinhybridswitchingsystemsofbistableactuatorswindings AT varšamovais researchoftheapplicationspossibilityofinterfacerelayinhybridswitchingsystemsofbistableactuatorswindings AT lelûkna researchoftheapplicationspossibilityofinterfacerelayinhybridswitchingsystemsofbistableactuatorswindings
first_indexed	2025-11-24T04:38:46Z
last_indexed	2025-11-24T04:38:46Z
_version_	1849645204774060032
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1 21 © Б.В. Клименко, А.В. Ересько, И.С. Варшамова, Н.А. Лелюк УДК 621.318 doi: 10.20998/2074-272X.2016.1.04 Б.В. Клименко, А.В. Ересько, И.С. Варшамова, Н.А. Лелюк ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСНЫХ РЕЛЕ В СИСТЕМАХ ГИБРИДНОЙ КОММУТАЦИИ ОБМОТОК БИСТАБИЛЬНЫХ АКТУАТОРОВ Представлені результати експериментальних досліджень деренчання контактів інтерфейсних реле при виконанні операцій їх вмикання та вимикання в нормальному режимі та в режимі прискорення спрацьовування. Наводяться рекомендації щодо практичного застосування малогабаритних інтерфейсних реле в системах керування комута- ційних апаратів з гібридною комутацією електричних кіл обмоток бістабільних актуаторів. Бібл. 6, табл. 1, рис. 6. Ключові слова: бістабільні актуатори, інтерфейсні реле, деренчання контактів, гібридна комутація. Представлены результаты экспериментальных исследований дребезга контактов интерфейсных реле при выполне- нии операций их включения и отключения в нормальном режиме и в режиме ускорения срабатывания. Приводятся рекомендации по применению малогабаритных интерфейсных реле в системах управления коммутационных аппара- тов с гибридной коммутацией электрических цепей обмоток бистабильных актуаторов. Библ. 6, табл. 1, рис. 6. Ключевые слова: бистабильные актуаторы, интерфейсные реле, дребезг контактов, гибридная коммутация. Введение. Вакуумные коммутационные аппараты для сетей средних напряжений занимают доминирую- щие позиции в соответствующем сегменте рынка, а в сегменте контакторов средних напряжений доля ваку- умных аппаратов превышает 90 %. Изобретение высо- кокоэрцитивных постоянных магнитов (Масато Сагава, 1982 г.), а также успехи в создании микропроцессор- ных устройств и мощных электролитических конденса- торов позволили создать коммутационные аппараты с высоконадежными электромагнитными приводами (например, аппараты компании АВВ – выключатели VM1 и контакторы VSC), которые обеспечивают необ- ходимые силовые характеристики и практически не потребляют энергию после выполнения операций включения и отключения. В этих аппаратах применя- ются бистабильные поляризованные актуаторы с двумя катушками [1], а для управления их обмотками – мик- ропроцессорная система с полупроводниковыми ком- мутационными элементами – силовым транзистором и двумя тиристорами (рис. 1). VSІ YІ YО VSО С+ VD VТ МС DD1 R DD3 DD2 Рис. 1. Схема силовой цепи системы управления обмотками актуаторов коммутационных аппаратов АВВ: YI, YO – обмотки включения и отключения; VT – силовой транзистор; VSI, VSO – тиристоры, коммутирующие цепи соответствующих обмоток; VD – диод; R – резистор; DD1 … DD3 – драйверы; MC – микроконтроллер; С – электролитический конденсатор При выполнении операции включения микро- контроллер МС через драйвер DD3 подает управ- ляющий сигнал на затвор транзистора VТ и через драйвер DD2 короткий импульс тока на управляющий электрод тиристора VSI, в результате чего обмотка включения YI актуатора подключается к источнику питания, роль которого выполняет накопительный элек- тролитический конденсатор C, предварительно заря- женный через преобразователь (на схеме не показан) до напряжнеия UС. При этом тиристор остается открытым и после завершения действия управляюще- го импульса. В некоторый момент времени якорь ак- туатора трогается с места и после окончания его дви- жения по команде датчика положення контроллер прекращает подачу управляющего сигнала на транзи- стор, в результате чего тот запирается практически мгновенно, а тиристор остается в открытом состоя- нии, поскольку в этот момент открывается диод VD и ток в обмотке YI, замыкаясь через тиристор VSI, диод VD, и резистор R, начинает спадать по кривой, близ- кой к экспоненциальной, до момента его снижения ниже уровня тока удержания тиристора VSI. В этот момент тиристор VSI запирается, одновременно с ним запирается и диод VD, после чего устройство готово к выполнению следующей операции – опера- ции выключения, которая выполняется аналогично операции включения, но посредством подключения к конденсатору C обмотки YO с помощью транзистора VТ и тиристора VSО. Определенным недостатком рассмотренной сис- темы управления является необходимость выдерживать некоторую паузу между операциями, то есть между моментом запирания одного из тиристоров (VSI или VSO в зависимости от последовательности операций) и отпирания транзистора VT при выполнении после- дующей операции. Факт запирания тиристора сложно проконтролировать, поэтому алгоритм управления об- мотками должен предполагать достаточно длительную паузу (несколько десятков миллисекунд) между опера- циями, иначе подача команд на отпирание транзистора VТ и тиристора VSO при открытом тиристоре VSI не приведет к отключению коммутационного аппарата и может вызвать серьезную аварию, если требуется вы- полнить отключение аппарата сразу же после включе- ния его на короткозамкнутую цепь. Поляризованный актуатор с одной катушкой [2] и возвратной пружиной существенно проще в конструк- тивно-технологическом отношении, однако для выпол- нения операций включения и отключения катушка дол- жна создавать противонаправленные МДС, что можно обеспечить либо за счет намотки двух обмоток и управлять ими попеременно, либо за счет использова- ния одной обмотки, включаемой в диагональ моста, образованного четырьмя силовыми коммутационными устройствами, например транзисторами. 22 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1 В системе, изображенной на рис. 2, для выполне- ния операции включения (І) коммутационного аппарата микроконтроллер МС через драйверы DD1 и DD2 выда- ет сигналы на затворы транзисторов VT2 и VT3, а при выполнении операции отключения (О) – на затворы транзисторов VT1 и VT4. Y VT3 O I DD2 МС VD2 VD1 С+ VT4 VT1 VT2 DD1 VD4 VD3 Рис. 2. Схема силовой цепи системы управления обмоткой актуатора, включенной в диагональ моста, образованного четырьмя транзисторами: Y – обмотка актуатора; VT1 … VT4 – силовые транзисторы, управляемые через драйверы DD1 и DD2 (по одному двойному драйверу на полумост); VD1 … VD4 – диоды, обеспечивающие рекуперацию энергии, накопленной в обмотке, в электролитический конденсатор С после запирания силовых транзисторов; MC – микроконтроллер Силовые транзисторы и драйверы для них являют- ся дорогостоящими элементами, поэтому представляет интерес рассмотрение возможности использования гиб- ридной коммутации цепей обмоток актуаторов. Приме- нительно к управлению актуатором с одной обмоткой схема силовой цепи может выглядеть, например, так, как показано на рис. 3. Y VT2 VT1 KM O I DD МС VD2 VD1 С+ VD3 Рис. 3. Схема силовой цепи системы управления с гибрид- ной коммутацией цепи обмотки актуатора: Y – обмотка актуатора; VT1 – маломощный транзистор, управляемый непосредственно микроконтроллером MC; VT2 – силовой транзистор, управляемый через драйвер DD; VD1 … VD3 – диоды; С – электролитический конденсатор; KM – реле с двумя переключающими контактными группами Гибридная коммутация электрических цепей, пред- полагающая наличие в коммутационных аппаратах как механических (контактных), так и полупроводниковых коммутационных элементов, является одним из перспек- тивных направлений развития электрических аппаратов [3 – 6], соединеняющих достоинства коммутации цепей с помощью механических и полупроводниковых комму- тационных элементов. При этом гибридная коммутация используется, в первую очередь, для увеличения отклю- чающей способности и электрической износостойкости аппаратов, выполняющих операции включения и отклю- чения. В гибридных коммутаторах цепей обмоток актуа- торов, в отличие от обычных коммутационных аппара- тов, функции включения и отключения тока выполняет только полупроводниковый коммутационный элемент (транзистор), а механические коммутационные элементы (контактные группы реле) выполняют функции маршру- тизатора, переключающего электрические цепи во время бестоковых пауз. Применение гибридных коммутаторов этого типа взамен соответствующих полупроводниковых ключей позволит существенно удешевить системы управления актуаторами, а также уменьшить их разме- ры. Данное направление гибридной коммутации являет- ся относительно новым, поэтому изучение особенностей процессов, возникающих при такой коммутации, имеют определенные перспективы, как в теоретическом, так и в практическом плане. Цель работы. Алгоритм управления обмоткой реле и силовым транзистором, задаваемый микроконтролле- ром, должен четко координировать их работу и не до- пускать размыканий контактов реле при открытом тран- зисторе, чтобы предотвратить появление дуги на контак- тах реле. Любая коммутационная операция в электро- магнитных реле сопровождается дребезгом контактов, что обусловлено особенностями конструкции их кон- тактных систем. Координация работы реле и силового транзистора должна учитывать и этот фактор – транзи- стор должен быть открыт не раньше, чем закончится дребезг контактов, то есть не раньше, чем операция включения или отключения реле закончится полностью. Производители реле не приводят в спецификациях такую характеристику как длительность полностью завершен- ной операции включения и отключения с учетом дребезга контактов, сопровождающего операцию, что не позволя- ет применять реле в системах гибридной коммутации под гарантии производителей. Применяя то или иное реле в системе гибридной коммутации, производитель комму- тационного аппарата должен опираться на достоверные результаты экспериментальных исследований, учиты- вающих случайные составляющие временных характери- стик реле. При этом в основе эксперимента должна ле- жать определенная методика экспериментального опре- деления временных интервалов между моментами ком- мутации транзистора, управляющего обмоткой реле, и силового транзистора при выполлении операций включе- ния и выключения коммутационного аппарата, разработ- ка которой является одной из целей данной работы. Другой целью является разработка рекомендаций относительно уменьшения длительности данных ин- тервалов, поскольку их сокращение способствует по- вышению быстродействия – одной из важнейших ха- рактеристик коммутационного аппарата. Методика экспериментального определения вре- менных интервалов между моментами коммутации транзистора, управляющего обмоткой реле, и силово- го транзистора. Алгоритм управления транзисторами VT1 и VT2 в рассматриваемой системе (рис. 3) предпола- гает, что при любом коммутационном состоянии аппара- та транзистор VT1 изначально обязательно должен быть заперт. Это означает, что после полного завершения опе- рации включения коммутационного аппарата, если вслед за этим в течение некоторого наперед заданного проме- жутка времени t, достаточного для того, чтобы ток в обмотке после запирания транзистора VT2 уменьшился практически до нуля (это время определяется экспери- ментально и в реальных аппаратах не превосходит 100 мс) не приходит команда на отключение, микроконтрол- лер запирает транзистор VT1, в результате чего реле отключается, его контакты приходят в исходное состоя- ние, подготавливая электрические цепи к выполнению последующей операции отключения. Микроконтроллер постоянно анализирует состояние коммутационного ап- парата и, если команда на включение приходит, когда ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1 23 аппарат включен, никаких действий не предпринимает, а если команда на включение приходит, когда аппарат от- ключен, то микроконтроллер выполняет два последова- тельных действия: 1) выдает сигнал на отпирание транзи- стора VT1, в результате чего включается реле KM, ком- мутационное состояние контактов реле изменяется, сило- вая цепь системы управления подготавливается к выпол- нению операции включения аппарата и 2) выдает сигнал на отпирание транзистора VT2, в результате чего актуа- тор срабатывает и аппарат включается. При выполнении операции включения аппарата силовой транзистор дол- жен быть открыт не раньше, чем закончится дребезг кон- тактов реле, поэтому длительность промежутка времени tbI между моментами отпирания транзисторов VT1 и VT2 должна быть гарантированно больше интервала между моментом подачи напряжения на обмотку реле KM и моментом гарантированного завершения дребезга его замыкающего контакта. Если внешняя команда на отключение аппарата приходит, когда аппарат перед этим находился во вклю- ченном состоянии дольше указанной выше длительно- сти промежутка времени t, то сигнал на отпирание транзистора VT2 контроллер выдает немедленно. Если же команда на отключение поступает в процессе вы- полнения операции включения коммутационного ап- парата, то контроллер должен прервать операцию включения, заперев транзистор VT2, дождаться от датчика положения контактов аппарата сигнала о том, что его главные контакты пришли в разомкнутое со- стояние (за это время ток в катушке актуатора уменьшится практически до нуля), вслед за этим за- переть транзистор VT1, и выдать сигнал на отпирание транзистора VT2 не раньше, чем через промежуток времени tbO между моментом запирания транзистора VT1 и моментом гарантированного завершения дребез- га размыкающего контакта реле KM. Длительности промежутков времени tbI и tbO зависят от характеристик реле, выбранного для работы в системе гибридной коммутации. Интерфейсные реле, предназна- ченные, в основном, для коммутации цепей автоматики, имеют привлекательно малые размеры и, в то же время, достаточно большие токовые номинативы (current ratings), превосходящие возможные значения токов в об- мотках актуаторов вакуумных коммутационных аппара- тов средних напряжений. Например, реле RT (Schrack, Австрия) или реле RM84 (ABB, Relpol, Польша) с разме- рами корпуса 29×12,7×15,7 мм и массой 14 г допускают проведение тока в непрерывном режиме до 8 А, и пико- вого тока до 15 А. Эти реле имеют достаточно высокое быстродействие – порядка 7 мс при включении и 2 … 3 мс при отключении. Здесь необходимо иметь в виду, что в каталогах приводятся значения времени отключения при механическом размыкании цепи обмотки реле, которое предполагает, что энергия, накопленная в обмотке, выде- ляется в межконтактном промежутке аппарата, коммути- рующего эту цепь обмотки и/или в искрогасительной цепи, включенной параллельно контактам этого аппарата. Если же коммутационные операции выполняет транзи- стор, прерывающий ток практически мгновенно, то об- мотку обязательно следует зашунтировать «размагничи- вающим» диодом, который автоматически открывается в момент запирания транзистора, закорачивая выводы об- мотки, вследствие чего ток плавно уменьшается по зако- ну, близкому к экспоненциальному, а накопленная энер- гия выделяется в сопротивлении обмотки. В результате, длительность полностью завершенной операции отклю- чения реле возрастает с 2 ... 3 мс (при механическом отключении) до 16 … 20 мс. Важно также учитывать и тот факт, что существует статистический разброс дли- тельностей промежутков времени tbI и tbO не только при сопоставлении этих характеристик у реле из разных пар- тий, но даже в одном и том же реле. Для определения значений tbI и tbO был проведен эксперимент, схема про- ведения которого приведена на рис. 4. ~ 220 V + Q PV C R1 + – T VD1HL PEN L R2 KM VD2 RS SB1 SB2 VS ~ 220 V PEN L ~ R5 R6 R4 R3 H1 H2 А к ос ци лл о- гр аф у 12 V к ос ци лл ог ра ф у Рис. 4. Схема проведения эксперимента по определению вре- менных интервалов tbI и tbO: Q – выключатель, обеспечива- ющий защиту от перегрузок и коротких замыканий; HL – сиг- нальная лампа; Т – автотрансформатор; VD1 – диодный мост; R1 – резистор, через который заряжается конденсатор С большой емкости (порядка 10000 мкФ); PV – вольтметр; KM – реле с двумя переключающими контактными группами (на схеме по- казана одна группа); R2 – добавочный резистор (устанавливает- ся, если напряжение на конденсаторе превосходит номинативное напряжение катушки реле; RS – шунт для осциллографирования тока в обмотке реле; VS – тиристор; VD2 – «размагничиваю- щий» диод; R3, R4 – резисторы цепи управления тиристора; SВ1, SВ2 – кнопки включения и отключения реле; Н1, Н2 – лам- пы накаливания (нагрузка тиристора); А – преобразователь; R5, R6 – делитель (регистратор дребезга контактов реле). Методика экспериментального определения вре- менных интервалов tbI и tbO предполагает указанную ниже последовательность действий. 1. Включаем выключатель Q. 2. С помощью автотрансформатора Т устанавливаем требуемое напряжение UС источника питания реле (кон- денсатора С), контролируемое вольтметром PV. 3. Подготавливаем осциллограф к записи процесса. 4. Нажимаем на кнопку SB1 и фиксируем на осцил- лографе процессы изменения тока в обмотке и дребезга контактов реле при его включении. 5. С помощью автотрансформатора Т устанавливаем требуемое напряжение UС источника питания реле. 6. Подготавливаем осциллограф к записи процесса. 7. Нажимаем на кнопку SB2 и фиксируем на осцил- лографе процессы изменения тока в обмотке и дребезга контактов реле при его отключении. Типичные осциллограммы процессов включения и отключения реле при напряжении источника питания UС, равном номинативному напряжению питания (rated supply voltage) обмотки реле US, в данном случае – 48 В, приведены на рис. 5а и 5б. Из осциллограмм видно, что время включения реле, не зависящее от наличия «раз- магничивающего» диода, приблизительно соответствует данным спецификации реле, а время отключения за счет указанного диода существенно больше значения, ука- занного производителем. Уменьшение длительности интервалов между моментами коммутации транзистора, управляюще- го обмоткой реле, и силового транзистора. Длитель- ность промежутков времени tbI и tbO может быть суще- ственно уменьшена, если обмотку реле с номинатив- ным напряжением питания US подключить к источнику с номинальным напряжением UС, превосходящим 24 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1 значение US, через последовательный резистор, сопро- тивление которого подобрано так, чтобы в стационар- ном режиме на обмотке установилось напряжение, рав- ное US. При этом постоянная времени цепи обмотки реле уменьшится и ток в обмотке в процессе включения реле будет быстрее нарастать, а в процессе выключения – быстрее убывать вплоть до момента начала движения якоря. И хотя, как показывают результаты эксперимен- тов, скорость и время движения якоря, а также время дребезга контактов остаются приблизительно такими же, как и при работе реле в «штатном» режиме, сум- марные значения длительности промежутков времени tbI и tbO существенно уменьшаются по сравнению с соот- ветствующими длительностями в «штатном» режиме. Например, если цепь, состоящую из обмотки реле RT с номинативным напряжением питания US = 48 В и добавочного резистора R2, сопротивление которого в шесть раз больше сопротивления обмотки, подключить к источнику с напряжением 7  48 = 336 В, то в ста- ционарном режиме на обмотке установится напряже- ние, равное 48 В. При этом типичные осциллограммы процессов включения и отключения реле и дребезга контактов будут выглядеть так, как это показано на рис. 5,в и 5,г. Из осциллограмм видно, что промежут- ки времени tbI и tbO существенно уменьшаются по сравнению со «штатным» режимом, причем это про- исходит, в первую очередь, за счет уменьшения по- стоянной времени цепи обмотки, а крутизна измене- ния тока в обмотке в момент окончания движения якоря, а также длительность дребезга контактов ос- таются практически такими же, какими они были в «штатном» режиме. tbI = 7,8 мс а ток в обмотке дребезга 2,5 мсдлительность tbO= 16 мс б ток в обмотке дребезга 3,3 мсдлительность tbI = 4,9 мс в ток в обмотке длительность дребезга 2,5 мс tbО= 8,4 мс г ток в обмотке длительность дребезга 3,0 мс Рис. 5. Типичные осциллограммы включения и отключения реле RT с номинативным напряжением питания обмотки US = 48 В: а – включение реле, напряжение цепи управления (источника) UС = 48 В; б – выключение реле, UС = 48 В; в – включение реле, UС = 336 В; г – выключение реле, UС = 336 В Временные характеристики реле одного и того же типа (даже из одной и той же партии) могут существен- но отличаться друг от друга. Поэтому, для того, чтобы сделать корректный вывод о необходимой длительности промежутков времени tbI и tbO в системах гибридной коммутации, необходимо для выбранного типа реле выполнить измерения указанных длительностей на достаточно большом количестве реле и произвести статистическую обработку результатов эксперимента. Нами были исследованы временные характеристики (при выполнении операций включения и отключения) реле RT с номинативным напряжением питания обмотки US = 48 В при двух значениях напряжения цепи управ- ления (источника) UС = 48 В и UС = 336 В. В экспери- менте было использовано 20 реле с двумя контактными группами каждое, итого 40 контактных групп. Резуль- таты эксперимента показаны на рис. 6, где точками показаны кумуляты – накопленные частоты значений промежутков времени tbI и tbO, не превосходящих зна- чений (в мс), указанных на оси абсцисс.. 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 3 4 5 1 3 4 2 Рис. 6. Кумуляты и функции нормального распределения, построенные по результатам экспериментального определения значений промежутков времени tbI и tbO, соответствующих операциям включения и отключения реле RT с номинативным напряжением питания обмотки US = 48 В: 1 – включение реле, при напряжении цепи управления (источника) UС = 48 В; 2 – выключение реле при UС = 48 В; 3 – включение реле при UС = 336 В; 4 – выключение реле при UС = 336 В ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №1 25 Сплошными линиями на рис. 6 показаны функции нормального распределения F(t), построенные, исходя из выражения                2 erf1)(  t tF , где t – текущее значение промежутка времени (tbI или tbO);  – математическое ожидание (среднее значение выбор- ки) случайной величины; σ – среднеквадратичное от- клонение распределения; erf – функция ошибок. Результаты вычисления средних (по данным экспе- римента) значений, среднеквадратичных значений, а так- же вероятных предельных значений длительности про- межутков времени tbI и tbO для реле RT с номинативным напряжением питания обмотки US = 48 В приведены в таблице. Кумулятивные кривые, в данном случае, весьма близки к кривым нормальных распредеделений, поэтому, с высокой степенью достоверности можно утверждать, что координация работы реле RT и полупроводникового коммутатора будет обеспечена, если интервал между мо- ментами их коммутации будет превосходить значение  + 3 · σ, взятое из последней колонки таблицы. Таблица Результаты эксперимента по определению длительности промежутков времени tbI и tbO для реле RT с номинативным напряжением питания обмотки US = 48 В Величина UC, В μ σ μ + 3 · σ tbI 48 7,46 0,24 8,18 tbO 48 17,3 1,06 20,5 tbI 336 4,78 0,26 5,56 tbO 336 8,51 0,56 10,2 Выводы. 1. Коммутация цепей обмоток актуаторов, в которых функции включения и отключения тока возлагаются на полупроводниковый коммутационный элемент, а меха- нические коммутационные элементы выполняют функ- ции маршрутизаторов, переключающих электрические цепи во время бестоковых пауз, является относительно новым направлением гибридной коммутации, откры- вающим перспективы упрощения, уменьшения разме- ров и удешевления систем управления актуаторами. 2. Гибридная коммутация цепей обмоток актуаторов предполагает четкую координацию моментов коммута- ции полупроводниковых и механических коммутацион- ных элементов. Разработана методика эксперименталь- ного определения временных интервалов между момен- тами коммутации этих элементов с учетом дребезга контактов механических элементов. Рассмотрена воз- можность применения интерфейсных реле в качестве механических коммутаторов и определены длительно- сти интервалов, обеспечивающих координацию работы этих реле с полупроводниковыми коммутаторами. 3. Рассмотрен и экспериментально подтвержден способ существенного уменьшения длительности ин- тервалов между моментами коммутации полупровод- никовых и механических коммутаторов в системах управления актуаторами, обеспечивающий повыше- ние быстродействия коммутационных аппаратов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Dullni E., Fink H., Reuber C. A vacuum circuit-breaker with per- manent magnetic actuator and electronic control. Режим доступа: https://library.e.abb.com/public/5e750b2ecc5b760ec1256ad400 2d2c00/cired99_Nice_VM1.pdf. 2. Патент РФ №2312420. Электромагнитный привод / Кли- менко Б.В., Выровец С.В., Форкун Я.Б. – Заявл. 27.12.05; опубл. 10.12.07, Бюл. № 14. 3. Сосков А.Г., Сабалаєва Н.О. Гібридні контактори низь- кої напруги з покращеними техніко-економічними характе- ристиками: монографія. – Х.: ХНАМГ, 2012. – 268 с. 4. Meyer J.-M., Rufer A. A DC hybrid circuit breaker with ultra- fast contact opening and integrated gate-commutated thyristors (IGCTs) // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2006. – vol.21. – no.2. – pp. 646-651. doi: 10.1109/tpwrd.2006.870981. 5. Häfner J., Jacobson B. Proactive hybrid HVDC breakers – a key innovation for reliable HVDC grids // Integrating supergrids and microgrids International Symposium in Bologna, Italy. – 2011. 6. Kapoor R., Shukla A., Demetriades G. State of art of power electronics in circuit breaker technology // 2012 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE). – 2012. – pp. 615-622. doi: 10.1109/ECCE.2012.6342764. REFERENCES 1. Dullni E., Fink H., Reuber C. A vacuum circuit-breaker with permanent magnetic actuator and electronic control. Available at: https://library.e.abb.com/public/5e750b2ecc5b760ec1256ad4002d2 c00/cired99_Nice_VM1.pdf (accessed 15 October 2015). 2. Klymenko B.V., Vyrovets S.V., Forkun Ya.B. Elektromagnit- nyi privod [Electromagnetic actuator]. Patent Russian Federation, no. 2312420, 2007. (Rus). 3. Soskov A.G., Sabalaeva N.O. Hibrydni kontaktory nyzkoi napruhy z pokrashchenymy tekhniko-ekonomichnymy kharakter- ystykamy: monohrafiia [Hybrid contactors low voltage with improved technical and economic characteristics]. Kharkiv, Na- tional University of Urban Economy Publ., 2012. 268 p. (Ukr). 4. Meyer J.-M., Rufer A. A DC hybrid circuit breaker with ultra-fast contact opening and integrated gate-commutated thy- ristors (IGCTs). IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, vol.21, no.2, pp. 646-651. doi: 10.1109/tpwrd.2006.870981. 5. Häfner J., Jacobson B. Proactive hybrid HVDC breakers – a key innovation for reliable HVDC grids. Integrating supergrids and microgrids International Symposium in Bologna, Italy. – 2011. 6. Kapoor R., Shukla A., Demetriades G. State of art of power electronics in circuit breaker technology. 2012 IEEE Energy Con- version Congress and Exposition (ECCE), 2012, pp. 615-622. doi: 10.1109/ECCE.2012.6342764. Поступила (received) 20.10.2015 Клименко Борис Владимирович1, д.т.н., проф., Ересько Александр Вячеславович1, к.т.н., доц., Варшамова Ирина Сергеевна1, ассистент, Лелюк Николай Анатольевич1, 1 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Багалея, 21, тел/phone: +38 050 6534982; e-mail: b.v.klymenko@gmail.com B.V. Klymenko1, A.V. Eres'ko1, I.S. Varshamova1, N.A. Lelyuk1 1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 21, Bagaleya Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. Research of the applications possibility of interface relay in hybrid switching systems of bistable actuators windings. Purpose. Development of methods of experimental determination of action coordination characteristics of semiconductor and mechanical switching elements in systems of hybrid commutation of bistable actuators coils taking into account contact bounce of mechanical switching elements. Consideration of the application possibility of interface relay as mechanical switches, and the definition of the duration of the intervals to ensure coordination of the relay operation with semiconductor switches. Methodology. Experimental determination of the time intervals between the moments of switching transistor which controls the relay coil, and power transistor when the switching on and off operations using a hybrid switching device are performed; statistical processing of experimental results. Results. The durations of the time intervals between the moments of switching of semiconductor and mechanical switching elements in systems of actuator coils hybrid commutation are experimentally determined. A way of a significant reduction of the duration of the indicated time intervals is considered and experimentally confirmed. Originality. The scheme of the power circuit of the control system with hybrid commutation of the actuator coil circuit, which differs from the known schemes that the only semiconductor switching element performs functions of the current switching on and off, and electromechanical relay contact elements act as a router interconnecting electrical circuits during dead times. Practical value. The use of hybrid switches instead of switches with semiconductor switches will significantly reduce the cost of the actuators control system, as well as reduce their sizes. References 6, tables 1, figures 6. Кey words: bistable actuators, interface relays, contact bounce, hybrid switching.

Исследование возможности применения интерфейсных реле в системах гибридной коммутации обмоток бистабильных актуаторов

Репозитарії

Схожі ресурси