Применение снабберов для обеспечения мер энергоресурсосбережения и энергоэффективности оборудования при ограничении перенапряжений в условиях наличия помеховых воздействий на автономные электроэнергетические комплексы

новые технологии и материалы

Борзиков В.Б., Жуков А. О., Козлов В.Л., Никольский Ю.В.

применение снабберов для обеспечения мер

ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОЭффЕКтИВНОСтИ

ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

в условиях наличия помеховых воздействий на автономные электроэнергетические комплексы

Важнейшей задачей для электроснабжения космических аппаратов является обеспечение высокой надежности электрических цепей в условиях ограниченности энергетических ресурсов, осложнённых влиянием рядом внутренних и внешних помеховых воздействий.

Рассмотрим некоторые современные технические способы решения по обеспечению электромагнитной совместимости оборудования СЭС и электрооборудования потребителей с использованием защитных устройств в виде ступенчатых ограничителей перенапряжения и рассмотрим общие сведения и принципы зонной концепции защиты от перенапряжений.

Ступенчатые ограничители перенапряжений.

Зачастую при защите от перенапряжений требуется, с одной стороны, поглотить большие импульсные токи, а с другой - быстро ограничивать перенапряжения до уровней, близких по значению к рабочим напряжениям. Эти требования могут оказаться невыполнимыми для одного защитного элемента, что приводит к необходимости создания ступенчатых схем ограничения перенапряжений. На основании анализа защитных элементов выявлены наиболее приемлемые места установки каждого защитного элемента в ступенчатой схеме ограничения перенапряжений, которые сведены в таблицу 1. Ступени защиты в этой таблице разделены на три:

1 ступень (грубая защита) - очень большие импульсные токи, очень большая энергоемкость, большое время срабатывания (мкс), невысокий уровень ограничения перенапряжения;

2 ступень (средняя защита) - большие импульсные токи, большая энергоемкость, малое время срабатывания (нс), высокий уровень ограничения перенапряжения;

3 ступень (тонкая защита) - малые импульсные токи, маленькая энергоемкость, сверхбыстродействие (пс), уровень ограничения перенапряжения, близкий к рабочему напряжению.

Таблица 1 - Параметры защитных элементов

Параметры Варисторы Газонаполненные разрядники Ограничительные диоды

Напряжение ограничения, В 6-2000 70-12000 5-440

Импульсный ток 8/20 мкс, А до 100000 до 60000 до 200

Энергоемкость, Дж 0,1-15000 до 60 до 15

Время срабатывания, нс менее 25 менее1000 менее 1

Ступень защиты 1,2,3 1 3

На рисунке 1 показан пример схемы устройства, реализующего ступенчатое ограничение перенапряжения. Устройство состоит из газонаполненного разрядника (1 ступень), варистора (2 ступень) и ограничительного диода (3 ступень).

При появлении импульса перенапряжения сначала срабатывает ограничительный диод. Ток -й , протекающий через него, вызывает падение напряжения

на индуктивности Ц ит = Ь, , что приводит к срабатыванию варистора. Под

Ь 1 Ли

воздействием суммы напряжений иЦ , иь = Ь2 — и напряжения на ограничительном диоде разрядник пробивается; - ток, протекающий через варистор при его срабатывании. Таким образом, приходящий импульс 10 кВ со скоростью изменения напряжения 1 кВ/мкс ступенчато ограничивается до напряжения менее 50 В

Рисунок 1 - Трехступенчатый ограничитель перенапряжения

Ступенчатые ограничители перенапряжений (СОПН) имеют большую область применения, т.к. постоянно растущее использование микропроцессорной

техники требует ограничение значительных ИКП до значений, близких к рабочим напряжениям оборудования. Кроме того, данные ограничители могут одновременно служить и защитой от кондуктивных электромагнитных помех, улучшая электромагнитную обстановку защищаемых объектов.

Для получения максимальной эффективности электроснабжения космических аппаратов, согласно зонной концепции [1] необходимо использовать устройства защиты в соответствии с типом защищаемого оборудования.

Зонная концепция защиты от импульсных коммутационных перенапряжений. В основу защиты электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений может быть положена так называемая зонная концепция, регламентированная стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК) [2, 3].

Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий защите от перенапряжений, разбивается на определенное количество зон от источника перенапряжений до защищаемого оборудования. В каждой из этих зон предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений до значения, устраивающего защищаемое оборудование. Микропроцессорная аппаратура размещается в наиболее защищенных зонах.

Основное отличие зонной защиты от ступенчатой заключается в том, что защитные устройства устанавливаются в разных местах защищаемой схемы, а роль разделительных индуктивностей играют индуктивности проводников. Однако иногда, в случае коротких участков, пересекающих зоны, используются дополнительные разделительные индуктивности.

Необходимым условием правильной работы схемы защиты от перенапряжений, реализующей зонную концепцию, является координация защитных средств по напряжению срабатывания, а также по времени срабатывания, с тем, чтобы энергия импульсов ослаблялась от ступени к ступени.

В качестве защитных элементов можно использовать так же варисторы или ограничители перенапряжений (ОПН) на основе варисторов, способные поглотить значительную энергию. Данная схема защиты требует установки варисто-ров на входе каждого электроприемника, причем их стоимость относительно невелика. Варисторы подвержены старению, поэтому они требуют периодической замены. Старение варисторов можно контролировать по увеличению тока утечки. При наличии аппаратов защиты от ИКП указанные фильтры могут иметь относительно небольшие габариты и массу, невысокую стоимость. Одним из перспективных вариантов установки является установка варисторов или ОПН параллельно контактам автоматических выключателей (непосредственно внутри аппарата) и параллельно предохранителям. [8].

Технология скоординированных устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) позволяет наилучшим образом согласовать эффективность защиты устройств электроснабжения космических аппаратов с требованиями надежности функционирования КА. С одной стороны, обеспечивается надежная защита оборудования электроснабжения космических аппаратов, с другой

стороны, отсутствует обратное влияние на цепи управления исполнительных устройств за счет отсутствия токов.

Таким образом, одним из условий к созданию предпосылок надежного функционирования КА, является оценка воздействий и подбор необходимых защитных устройств, таких как например, с применением снабберов, против электромагнитных воздействий природного и техногенного характера путем подавления импульсных перенапряжений.

Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений УЗИП, совместно с фильтрами питания на основе применения снабберов или различных схем автотрансформаторного регулирования потока электрической мощности, особенно эффективно в системах с несколькими источниками питания, так как в этом случае для защиты всей разветвленной системы необходимо только одно устройство.

Рассмотрим один из способов улучшения качественных характеристик электроснабжения космических аппаратов, на основе применения снабберов. Функциональная схема снаббера представлена на рисунке 1. Основная задача снаббера - снизить скорость повышения напряжения на транзисторе, чтобы предотвратить защелкивание паразитной тиристорной структуры как ЮВТ транзистора [4], так и выходного каскада драйвера. Кроме того, снаббер облегчает тепловой режим закрывания транзистора, беря на себя часть динамических потерь.

Основным способом ограничения напряжения на транзисторе является применение демпфирующих RCD-цепей. При этом они работают только на ограничение коммутационного выброса напряжения.

Снаббер необходим для подавления колебаний в осциллирующей схеме. Осциллирующая схема может иметь самый разнообразный вид, но чаще всего её эквивалентная схема может быть представлена в виде параллельного колебательного контура (рисунок 2).

VT

Csnub

Рисунок 1 - Функциональная схема снаббера

Рисунок 2 - Эквивалентная схема снаббера

Основными критериями выбора элемента ограничения, помимо собственно пробивного напряжения, является его мощность и быстродействие. При чём, если мощность можно нарастить последовательной установкой элементов, то сделать быстродействие лучше, чем обеспечивает производитель - не представляется возможным. Из всех представленных ограничителей наибольшим быстродействием обладает супрессор. Производителями супрессоров заявляется быстродействие порядка нескольких нс, а иногда и меньше. Но это в тестовых схемах. На практике супрессор, если и реагирует почти мгновенно, всё-таки открывается относительно долго и время с момента достижения напряжением пробивного напряжения супрессора до начала спада напряжения импульса обычно составляет около 10 нс и во многом зависит от тока импульса. В схемах с обратными индуктивными выбросами с токами в сотни Ампер время начала ограничения может составлять и вовсе десятки нс, и именно поэтому, к слову сказать, рекомендуется использование ограничителей напряжения совместно с классическими снабберами, обеспечивающими снижение du/dt, в противном случае схема ограничения просто не успевает полноценно сработать.

В плане ВАХ прибор почти аналогичный супрессору - стабилитрон. Но если по мощности можно подобрать стабилитрон близкий ограничителю напряжения (в плане допустимой мощности импульса), то по быстродействию стабилитроны значительно уступают супрессору. Конечно, стабилитрон можно использовать в качестве ограничителя, но со скоростями не более нескольких кВ/мкс, в то время как супрессоры могут работать со скоростью изменения напряжения на порядок больше. И если раньше стабилитроны имело смысл использовать в снабберных схемах для изделий специального назначения (т.к. высоковольтных супрессоров с приёмкой «5» не выпускалось), то сейчас необходимость в этом отпала, т.к. отдельными производителями освоено производство супрессоров «специального назначения». В отличии от супрессора и стабилитрона варистор не является активным элементом, в полном смысле этого слова, представляя собой специализированный резистор. Быстродействие варисторов, как заявляется, составляет порядка нескольких десятков нс. Для сравнения, как уже было отмечено, заявляемое быстродействие супрессоров - около нс. Таким образом, варистор на порядок медленнее супрессора [6].

Другой, не менее критичный параметр, - предельно-допустимая мощность импульса. Здесь на первом месте стоит варистор, далее - супрессор и стабилитрон [6]. При чём, при равных массогабаритных показателях, супрессор значительно выигрывает у стабилитрона.В итоге область применения варисторов и супрессоров становится очевидной: варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но - (относительно) значением du/dt; супрессоры - наоборот: в схемах с большим du/dt, но кратковременными импульсами. Первый тип схем преобразователей - преобразователи на основе тиристоров (большая мощность, скорость du/dt измеряется в сотнях В/мкс); второй тип - преобразователи на основе IGBT- или MOSFET-транзисторов, ведь именно работа транзисторов в ключевом

режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко - мкс), но при этом значительным du/dt, до десятков кВ/мкс. Таким образом, если тиристорная схема, то варисторы; если транзисторная, то супрессоры. Стабилитроны тоже можно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения. Например, стабилитроны BZX55C18, установленные в цепи затвора полевого транзистора, ведут себя ни чуть ни хуже симметричных супрессоров типа 1,5КЕ18СА. Как правило, выбор очевиден. [5]

Применение снабберов

Как пример возможно выделить один из технических способов применения фильтров питания на основе применения снабберов и различных схем автотрансформаторного регулирования потока электрической мощности на примере «энергосберегающего нормализатора переменного напряжения «NORMEL»». [5]

Как заявлено производителем, применение энергосберегающих нормализаторов переменного напряжения NORMEL серии ESSV позволяет сэкономить от 10% потребляемой электроэнергии. Одновременно с этим, существенно увеличивается рабочий ресурс приборов за счет их более «бережной» эксплуатации, что также влияет на совокупный экономический эффект от применения энергосберегающих «нормализаторов» переменного напряжения NORMEL серии ESSV. Значительное энергосбережение достигается в период повышенного уровня напряжения в питающих сетях.

«Энергосберегающий нормализатор переменного напряжения NORMEL» как изделие промышленной серии ESSV представлен как устройство модульного построения, и предназначен для:

- автоматического регулирования величины напряжения в электрических сетях 380/220 В, 50 Гц;

- сбережения электроэнергии от 10%;

- улучшения качества электроэнергии в соответствии с требованиями ГОСТ Р 54149-2010.

Энергосберегающий нормализатор переменного напряжения NORMEL [5] промышленной серии ESSV включает в себя электронный блок управления и силовую часть. Электронный блок управления состоит из:

- контроллера,

- блока коммутации

- блока снабберов.

Силовая часть включает [5]:

- аппараты силовые защитно-коммутационные,

- систему фазированных электромагнитных преобразователей мощностью соответствующей номинальной мощности установки.

Регулирование напряжения осуществляется в заданных пределах при его отклонениях от параметров ГОСТ Р 54149-2010 [5]. Нормализатор переменного

напряжения NORMEL промышленной серии ESSV позволяет регулировать и снижать напряжение до нижнего уровня, разрешенного ГОСТ Р 54149-2010, что является условием эффективной работы всех электроприемников без недопустимого снижения их производительности.

Применяемое в устройстве схемное решение позволяет использовать компоненты силовой части имеющие номинальную мощность, не превышающую 10% от мощности стабилизируемой нагрузки. В результате этого, КПД устройства составляет 99,7% [1].

Принципы работы технологии NORMEL

Принципиальное отличие от общеизвестных схем автотрансформаторного регулирования потока электрической мощности заключается в способе интеграции пофазных дросселей и, как результат, принципе регулирования выходных параметров сети.

Основное отличие схемы, применяемой в технологии NORMEL -регулирование параметров сети осуществляется не путем каких-либо перекоммутаций силовых фазных контуров, а путем наведения в них разнонаправленных электродвижущих сил со стороны тонкой обмотки фазных дросселей посредством изменения их полярности подключения относительно толстой (силовой) его обмотки.

В процессе работы нормализатора применяются три основных фазнонезависимых рабочих режима, представленных на рисунке 3:

1)ре*лм °трлшятт.

-p.l 2GS в ± 1 й i ; 111 в ± ! в

при mcv  L1, ,,гШ. где -

Hi:ip--HfhHu фяэнос на шиле Hij-pna-- ыепрянснно

НИ НЛ ИгуКСДГ НОр'.'ПЛУЭИТСр!

г)псжим иаош,тмцз;>ав<^

при иф1, s и» a i 1 в:

ц»,«.. - iio в + lit в [Д# и;™ - а

Э)ро1И1м II еюп ьто-ог н ичс ни :

при 11911)1. - - -

Рисунок 3 - Основные фазнонезависимые рабочие режимы работы нормализатора

Данный метод дает ряд преимуществ технического, эксплуатационного, массогабаритного, стоимостного и надежностного характера, а именно:

- регулирование происходит без разрыва питающей сети - что устраняет проблемы, связанные с коммутациями и вызываемые ими переходные процессы;

- благодаря тому, что 95% мощности нормализатора передается электрическим и лишь 5% - электромагнитным способами, применяемые в устройстве силовые дроссели имеют мощность, соответствующую 5% от номинальной мощности нормализатора, а это - вес, размеры, стоимость изделия в целом;

- отсутствие силовых коммутационных элементов в схеме нормализатора создает условия для длительной (не менее 15 лет) бесперебойной работы [1].

Таким образом, особо важным аспектом является изучение способов и методов применения различных технических способов [1] улучшения качества электроснабжения КА с возможностью улучшения энергоэфективных характеристик оборудования.

литература

1. Жуков А.О., Буханец Д.И., Васильев В.К., Борзиков В.Б., Корчак В.Ю., Козлов В.Л. Использование защитных устройств поглощающего типа с варисторами в автономных электроэнергетических системах с электроприемниками на базе микропроцессорной техники. Сборник докладов ВНТК ВК РВСН им Петра Великого, 2015.

2. IEC 61024.

3. IEC 61312.

4. Москатов Е.А. Электронная техника. 6 раздел Биполярные транзисторы с изолированными затворами

5. Джим Хагерман (Jim Hagerman)/ Материалы интернет-сайта www normel. ru 2008г.

6. «Designing an RS Snuber», Cornell Dubilier Snubber Capacitors, 2010 г. 1416

7. Материалы интернет-сайта: www.electrum-av.com,автор Новиков П.А.

8. Буханец Д.И., Васильев В.К., Борзиков В.Б., Жуков А.О., Козлов В.Л. Варианты защитных устройств поглощающего типа для электроприемников на базе микропроцессорной техники. Новые исследования в разработке техники и технологий. Сочи.: № 2. С. 13-22. 2015.