Добрый день!

Нужно сделать плату управления нагрузками переменного тока на 220в и на 380в.
Устройство относится к промышленной автоматике, нагрузки - соленоиды, клапаны, электродвигатели (50 Вт, 500 Вт, 5кВт), тэны, и т.п.

Необходимо обеспечить плате защиту от короткого замыкания в нагрузке,
а также режим самодиагностики, позволяющий обнаружить КЗ и обрыв в нагрузке, измерение тока нагрузки.

Потребители разбиты на 2 группы - маломощные (до 2А) и мощные (до 15 А).
Для управления маломощными выбраны тиристоры BTA12BW, мощными - BTA41B.

Для измерения тока и обнаружения превышения тока использованы трансформаторы тока (в каждую фазу, +1 для маломощных нагрузок).
Соответственно сигнал превышения тока будет получен и в тот же полупериод сигнал открывания тиристора будет снят.

Вопрос - как защитить тиристор от тока короткого замыкания в течение полупериода?
BTA12 выдерживают до 120А в течение 1 периода, BTA41 до 420А..

Предохранители ставить не хотелось бы, поскольку почти без разницы что менять - предохранитель или тиристор - все-равно лезть в плату. Плюс, автоматическое возобновление работы позволило бы сделать диагностику - поиск неисправного канала.

Для начала, тиристор и симистор — разные электронные компоненты, и такое безразличие может закончиться большими потерями здоровья и/или денег.

А выключают и то, и другое, закорачиванием основного ключа через ёмкость дополнительным, обычно таким же.

Зачем отпирающий сигнал держать на всем интервале времени отпирания? Открыли тиристор коротким импульсом, измеряете ток нагрузки. При его превышении, в следующий полупериод, отпирающий импульс не подается


Гениальное решение! Стало быть, пожара не боитесь?

Лучше предохранителей ничего не придумаешь.
А разница есть - в цене.
Нужно правильно выбрать предохранитель.
Это просто.
Амперсекундная характеристика тиристора должна проходить выше аналогичной характеристики предохранителя.
Есть предохранители специальные для этого.

Для этого надо знать когда начнется полупериод, чтобы синхронизировать отпирающий импульс с ним.
Я вижу либо постоянно поданный сигнал, либо часто повторяющиеся импульсы.

В любом случае предполагается использовать MOC3083, через который при открытом основном ключе ток не потечет, и который синхронизирует включение с переходом через 0. Т.е. этот момент не важен.


На все устройство обязательно нужен вводной автомат. Тут вопросов нет.
Просто нужен не просто многоканальный выключатель нагрузок, а умный, способный обнаруживать в них неисправность и сообщать об этом. Притом обнаружение неисправной нагрузки должно быть штатным режимом работы и не приводить к смерти самого выключателя.
Перегорание предохранителя = выход из штатного режима работы. Т.е. в устройство надо лезть и что-то менять.
А так, конечно, это наиболее простое и логичное решение.

Лучше не стоит прерывать ток короткого замыкания на середине полупериода.
Убьете всю электронику в радиусе 100 м.
Да и сами не уцелеете.

А размыкатель в автомате думаете выбирает в какой момент полупериода разорваться? И ничего, все живы..

Больше хотелось бы не разрывать ток, а ограничить его до величин, при которых тиристор не умрет в течение полупериода.
Чем ограничить - не могу придумать. Как ни считаю, получается размером с кирпич.

А почему решили что не выбирает?

А может Вам проще будет попробовать использовать какой нибудь "неубиваемый" тиристорный блок с большим запасом по току, что то типа MCMA140P1600TA от IXYS?

Я читал на этом форуме много отзывов, что BTA41 не умирает при защите обычным автоматом, поскольку, вероятнее всего, бытовая сеть просто не в состоянии выдать 420А. У меня планируется промышленная сеть, которая в состоянии выдать достаточный ток.
Использование больших блоков не проходит по экономике, каналов несколько десятков..

Хотелось бы получить результат, как в частотном преобразователе - что не так в двигателе, на табло вылезла соответствующая ошибка. Ничего не сгорело.
Но там используется транзисторный мост и время отключения порядка 1 мкс.
Использовать транзисторный мост для каждого канала мне будет накладно. Плюс надо еще подумать как ими переменку коммутировать.

Точно знаю что тиристоры используются в устройствах плавного пуска электродвигателей (soft-starter). Кто-нибудь видел как там реализована защита?

В такой разработке не о том беспокоится надо, поверьте.

1 мкс - это касается только времени переключения выходного транзистора.
А задержка от датчика тока до выключения будет не менее 4 мкс.
И сжеть частотник с помощью КЗ нам удавалось. В частности серию MX2 от OMRON-а

В софт-стартерах бюджетной линейки (до 2 кВт) одна из фаз идет напрямую и там даже датчика тока не стоит.

А вот трехфазные тиристорные схемы без нуля можно отключить через каждые 3.33 мс (при удачном стечении обстоятельств )

Александр, спасибо.
Выходит, что я хочу невозможного?

О чем тогда стоит беспокоиться в такой разработке? (многоканальный электронный выключатель)

А считали, каким должен быть ограничитель тока до безопасного для тиристора, выдерживающий один полупериод КЗ? Что получилось?

А там считать не нужно, в даташитах приведены графики зависимости предельного неразрушающего тока от числа периодов.
Для 1 периода:
BTA12 до 120А;
BTA41 до 420А.

Или вы имеете в виду, считал ли я сам ограничитель?
Да, я пробовал посчитать дроссель на железе, там габаритная мощность получается эгегей.. И соответственно размер не электронный. Его правильнее будет уже называть реактором.
Была еще мысль резисторы поставить в каждый канал - по рабочей нагрузке они нормально получаются (5-10 Вт), а вот при КЗ они просто испаряются.
Какого еще вида может быть этот ограничитель? Не знаю.

Сопротивление сети 0,5-1 Ом, да сопротивление термистора 0,5-1 Ом - уже нормально, не? Выдержат, пока не сработает защита.

Хорошая была мысль. А вот как посчитали, что за 10мс они успеют испариться?

Я сначала попробовал, потом посчитал
Действительно испаряется спираль. Затем в резисторе возникает дуга и отключается автомат.

Термистор я думаю постигнет та же участь, что и резистор.
Откуда, кстати, взяты цифры по сопротивлению сети? Бытовая и промышленная сеть наверное разные цифры имеют?

Мощность - U^2/R.
Для BTA12 резистор 2 Ома (типа 110А при 220В). Для BTA41 - 0.5 Ом.
Мощность на резисторе 2 Ом - 24кВт. Энергия - 242 Дж.
Для 0.5 Ом - 96 кВт, 968 Дж. (конечно, цифры условные, но порядок величин..)
Внутри резистора порядка 3-5 см нихромовой проволоки d=0.3мм... что есть порядка 0.1 грамма. Теплоемкость 0.45 Дж/г*К. Допустимый перегрев порядка 300 градусов. Т.е. порядка 13 Дж 5 Вт резистор сможет принять.

В принципе 7г нихрома ~1см3 смогут принять такой импульс (1000 Дж). Но проволоки много. (d=1.5мм, l=0.5м) Если использовать проволоку, то надо, чтобы она еще не отпаялась от платы..
Нигде не ошибся?

С такими тезисами Вам надо бы на экономический, а ещё лучше — на политический форум, где, кстати, Вам ответят то же самое — берёте объём типового ПЧ, который суть одноканальный ящичек, умножаете его на число Ваших каналов, и идёте с жалобой на получающийся шкаф к заказчику.

С чего это вдруг? Симистор - это тиристор. Один из его видов.

может быть применить токоограничивающие реакторы?

shf_05
Попробуйте оценить размер реактора для 100А и для 400А. У меня не получается, может неверно считаю.

Беспокоиться надо чтобы тиристоры сами по себе не открывались от любых коммутаций в соседнем оборудовании.
Уж больно маленький параметр dV/dT в ваших тиристорах.
Также надо подумать об этом параметре и в оптосимисторах.
В плавных пускателях их ставят аж по три! последовательно из-за опасений самопроизвольных включений.

А жесткие КЗ так редко бывают, что с тем же успехом можно заняться противометеоритной защитой для пускателей.

100 и 400 А это ведь ток КЗ, который длится несколько сотен мс, обмотка не успеет вскипеть?
номинальный ток сколько 10, 20 А? делайте или ищите готовый реактор на такой ток с нужной индуктивностью без магнитного сердечника.

может полезным будет небольшая статья.

Дорогой мой товарищ, вы давно не читали книжки по полупроводниковым приборам, поэтому забыли что тиристор и симистор - это один компонент. Как "полупроводниковый прибор" и "транзистор".

Лично я изобрёл ключ на МОП транзисторах на переменный ток, с током отключения ампер 50. Вопрос в размере варистора =)
примерно так выглядит: реле на транзисторах
Открывается закрывается не в 0 - недоработка. но как предохранитель использовать можно.

shf_05
Номинальный ток мощного канала 10А.
Там 3 трехфазных и один однофазный мощные.
Для слаботочных номинальный ток 2А. Их 16 штук. Все на одной фазе.
По логике работы устройства суммарный ток потребления должен быть не более 35А.
Ток КЗ максимум 10мс (1 полупериод).

Alexandr_Y
BTA12BW - трехквадрантный. dV/dT ~1000V/uS
BTA41B - min 500 V/uS (еще есть вариант замены на BTA26BW - трехквадрантный ~1000 V/uS)
MOC3083 - min 600, typ 1500 V/uS
В принципе по этому параметру они достаточно сбаллансированы, каскадировать MOC-и не вижу смысла.

Варисторы 431 на каждый ключ обязательно.

Еще я считаю обязательным ставить входной фильтр индуктивный.
http://www.compel.ru/lib/ne/2013/9/6-ubira...hfaznyih-setey/


Еще интересное решение для промышленных сетей, где фаза и ноль обычно правильно подключаются - ставить симистор в нулевой провод. Поэтому при пробое на корпус будет отключение автомата, а не симистора
Но это для 3 фаз не работает.

Еще кстати, предохранитель на 3 фазы так просто не поставишь. Когда один сгорит надо это как-то обнаруживать и прекращать работу.

Dmitron
Можете пояснить принцип работы?
Не пойму как включены транзисторы и нагрузка. У меня из мыслей было что-то типа транзистора в диагональ диодного моста.
Но при этом надо изолированное питание затвора этого транзистора делать для каждого канала коммутации..

Ну в общем я вас предупредил. 500 очень мало.



Это самообман.
На испытательном стенде в лаборатории по тестированию ЭМИ эти фильтры неплохо себя покажут на подавлении кондуктивных помех вызванных сертифицированным оборудованием.
Понимаете, кто-то придумал модель помех, а кто-то придумал подавитель помех по этой модели.
Но в реальной жизни все упирается в наводку по земле с которой можно бороться только тройными перестраховками.

ну вот у вас и критерий для поиска есть. установка реакторов нормальное дело для промышленных приводов, так что советую.

Alexandr_Y
Спасибо за предупреждение!
Я полагаю все-таки оставить как есть, поскольку в моем случае самопроизвольное включение на 1 полупериод некритично для работы машины. Там все инерционное, скорее всего такая ситуация никогда не будет замечена. Качество питания предполагается среднее и выше среднего.

Гораздо более критична ситуация отказа. Особенно не хочу иметь отказа в своем блоке.
А если бы он еще мог проводить диагностику остальных, то это было бы просто сказочно.

shf_05
По готовым реакторам я уже искал немного, все они от 35килоВольт и выше..
Я больше хотел бы оценить размер этой штуки применительно к своим условиям. Хотя бы порядок цифр.

почему же бывают и на 0,4 кВ, ищите реактор до 1000 В.
по габаритам не сориентирую, хотя можно задаться необходимой индуктивностью и рассчитать количество витков на некотором каркасе, если будете делать реактор сами.

Истоками внутрь, стоками/коллекторами - наружу. + драйвер с защитой на каждый транзистор. +варистор в параллель ключу. +гальваническая развязка по Fault и управлению. + термозащита. но это детали.

Dmitron
Спасибо за пояснение.
Я правда до конца не понял, вы формируете гальванически развязанное питание +-15 вольт вокруг средней точки ключей (куда их коллекторы сходятся)?
И не могу сразу сообразить - если у вас многоканальная система, можете ли вы использовать это питание на всех каналах или надо каждому свой преобразователь?

Тиристор — это два транзистора, симистор — это два тиристора. Почитайте Википедию, что ли.


Такую мелочь проще транзисторами коммутировать. У симисторов КПД/цена выше, но затратных проблем прибавляется больше.

Так вы собираетесь плавный пуск делать или нет для двигателей?
Если нет, то помните что движки на жестком старте берут в 5-ть и более раз больший ток чем номинальный и длится это может сотни миллисекунд.

Также не забудьте о таком граничном параметре у тиристоров как dI/dt.
При жестком КЗ и хорошей входной емкости ток даже еще не превысив граничный уровень уже убьёт тиристор.
Какие-то дополнительные транзисторные ключи даже не успеют дернуться.

Не говорите ерунды. Тиристор - общее название прибора. Среди тиристоров есть динисторы, тринисторы, симисторы.

Plain

Пока все транзисторные схемы для коммутации 220В переменнки, которые я смог придумать, требуют либо отдельного развязанного источника питания для затвора (драйвера) на каждый канал, либо подключения обоих проводов от нагрузки к плате.
Предложите вариант, подумаем.

Alexandr_Y

Я сначала рассматривал этот вариант, потом отказался - надо в каждый канал датчик тока ставить. Трансформатор тока - большой. Датчики на эффекте холла - дорогие. Для трехфазных моторов как я понимаю нужно 2 датчика.
Оно и так и так работать будет, пока смысла не вижу.


Помню, тиристоры с хорошим запасом. Во вложении картинка по перегрузке.

Вот это верно, да. Кстати про входную емкость - вы натолкнули на мысль, которая здесь уже звучала, и которую я пропустил.
В блоках питания используется термистор для ограничения тока заряда. По сути разряженный конденсатор это КЗ.
Пойду читать характеристики термисторов и считать, сможет ли он продержаться 10мс...

А что, если в цепь питания Вашей установки поставить обычный автомат с защитой от токов КЗ 400 А?
Тогда, если ток КЗ превысит эти 400А - сработает автомат (обычно не облее 10 мс), а если не превысит - то симистор проживет 1 период и его отключит схема защиты. Если большие пусковые токи, то автоматов надо будет несколько.
Вообще-то отключение при заранее неизвестном токе КЗ сделать сложно.

alexvu
Входной автомат будет на 50А.
Только время отключений у него не менее 10мс (а не "не более"). Так что в первый полупериод он ток ограничить не сможет.

All
Почитал характеристики термисторов - по диапазонам сопротивлений и токов есть подходящие. У некоторых даже указывают энергию поглощения. Для 30мм термисторов порядка 200Дж может быть. Бывают и более крупные но реже (и они дорогие).
Это соответствует по порядку величины тем энергиям, что я считал ранее.
Только считал я для постоянного сопротивления, а термистор прогревается и оно падает, и ток растет.
К сожалению, рассчитать форму тока, и соответственно энергию, не представляется возможным - во всех аппнотах рекомендуют воспользоваться осциллографом для подбора подходящего термистора.
Пока по ощущениям - не взлетит. Видел график где термистор прогревается за 1-2 мс.

советую таки автору определиться с ТЗ на свое изделие и уже из этого плясать, что ставить тиристоры или мосфеты, игбт, реакторы, термисторы, варисторы и проч.

А, так всего 50 А общий ток?
Сделайте общий электронный предохранитель на IGBT или мосфете, да и все.
Его надо рассчитывать только на ток КЗ (те же 400-500 А).
Еще надо запускать двигатели не одновременно, чтобы не сработало от пускового тока.

ага, общий. на три фазы.
ага, всего 50А. При падении в вольт на каждом игбт будет потеря сотни ватт в статике.

Читаем википедию, читоли. Цитирую: "
Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).
"
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%...%82%D0%BE%D1%80





Для каждой пары своя развязка.
-15 не надо.

Reanimator++, а какое быстродействие обещают у автоматов? Электромагнитный расцепитель, по идее, должен быстро сработать. Остальное время определяется массой откидной системы.
Но там токи отсечки нормируются поболее, чем ваши 120А. Для автоматов класса D, вроде 4.5кА расцепление.

также как и на тиристоре

также как и на тиристоре. да плюс потери в самом регуляторе.

Я не достаточно специалист в силовой электронике чтобы в ТЗ написать какие компоненты должны быть использованы.
ТЗ от не специалиста:
Нужно устройство - многоканальный электронный выключатель переменного тока на 220в.
Количество потребителей:
3-фазные до 10А - 3-4 шт.
1-фазные до 10А - 1-3 шт.
1-фазные до 2А - 16-20 шт.
По логике работы устройства все потребители одновременно не включаются, можно примерно оценить максимальный рабочий ток в 35-40А.

ТЗ минимум: устройство не должно выходить из строя при выходе из строя потребителя.
(читаем темы на форуме про сдохшие тиристоры от перегоревшей лампочки).

ТЗ максимум: устройство должно иметь режим диагностики, при котором он включает потребителей поочередно и регистрирует их ток потребления. Затем показывает неисправных потребителей.



Это достаточно интересный вариант, надо его проработать.
По мере проработки можно заменить ими все тиристоры.
Пока меня смущает необходимость наличия гальванически развязанного питания драйвера для каждого транзистора.
Но моих знаний недостаточно, чтобы предложить годную схему, если можно предложите.


Ну изначально понятно что эта штука будет прилично греться. По размерам силовых элементов я примерно оцениваю плату в 400х300мм, и необходимость монтировать ее на общий алюминиевый радиатор в размер платы.


По данным от коллеги ( http://asp-v.ru/ ), время срабатывания электромагнитных расцепителей порядка 15-20мс (измеряли осциллографом).

А если поставить реле?

как???
нужно 10 каналов?
по минимуму - контактор, атомат, узо и никакой электроники!

Для общего развития: делал 10 ключей симисторных с управлением от одного контроллера. Я так понимаю, предполагается что-то подобное.
Контроллер сфетофорного перекрёстка(макет) (не буду пересказывать плачь заказчика - зачем ему это надо было)

Ну 50А в сумме...это Ватт 50 на симисторах. ну 100. Можно на радиатор от PC прицепить.


Могу вас ещё порадовать: в таком же формате ключа делал симисторный ключ, который включается всегда в одной фазе напряжения, а выключается в другой. Чтобы не было импульсов тока связанных с перемагничиванием трансформатора при включении.

А трансформатор, что, на сердечнике от постоянного магнита был намотан?

В смысле откуда там токи перемагничивания хоть какие-то существенные?

трансформатор и вправда дает некий переходный процесс при включении, но он не с перемагничиванием а с намагничиванием связан.