Расчет RC снаббера (RC snubber) для защиты симистора

dedan

У меня вопрос к тем кто использовал симисторы или тиристоры для управления индуктивной нагрузкой..

на рис 1 типовая схема использования опторазвязки МОС(без зеро кросс) для управления симистором..

мой вопрос заключается в следующем почему 39 Ом и 0.01 мкФ ??

при такой RC цепочке переходные процессы на нагрузке только хуже, чем вообще без нее.. индуктивность нагрузки 100 мГн..

привожу 3 графика с осциллогрофа с разным сочетанием R и C: рис 2 - 47 Ом и 0.01 мкФ, рис 3 - без RC, рис 4 - 4700 Ом и 60 нФ.. последнюю RC что на рис 4, мы рассчитали сами по методикам.. для нашей индуктивности и скорости изменения dV/dt = 10 вольт за микро секунду.. вроде как по графику все получилось очень хорошо.. но почему-то таких значений RC мы больше не видели в других схемах и примерах.. везде предлагают что-то около 100 Ом и 0.1 мкФ.. значит ставить 4700 Ом и 60 нФ почему-то нельзя??

Реклама

eufs

В промышленных мощных установках чаще всего стоят 3,3-15 ом 10Вт и МБГЧ 0,25-0,5 мкф 500В-750В.

Реклама

dedan

eufs а параллельно им стоят варисторы? если да то на какое напряжение? как написано во всех методиках расчета этой RC цепи она нужна для ограничения dv/dt триака(симистора или тиристора) для того чтобы он не открылся самопроизвольно.. но мне еще говорили что эта RC дополнительно помогает от всплеска напряжения на индуктивности.. если вдруг так получится, что ток через нее(индуктивность) пропадет не тогда когда он будет нулевой.. например если почему то разомкнет автомат который подводит фазу.. может быть такие параметры именно для этого такие маленькие..

eufs

В советской промышленной технике мощные силовые варисторы не применялись. Их просто не производили. Во всяком случае я никогда их не видел. Просто силовые элементы ставились с запасом по напряжению.
Вы правы,RC цепи применяются для ограничения скорости нарастания напряжения на зарытом (или закрывающемся) тиристоре. Для управления нагрузкой, которая имеет выраженный реактивный характер, способный нарушить работу узла, для синхронизации используется напряжение от датчика тока через тиристор. В некоторых случаях (в автоматических стиральных машинах с коллекторными двигателями) используется напряжение, снятое непосредственно с симистора (а не из сети). В особых случаях, наверное, стоит брать и сеть и с тиристора(или ток) для правильного распознавания момента закрытия.

Реклама

Aenigma

eufs писал(а):RC цепи применяются для ограничения скорости нарастания напряжения на зарытом (или закрывающемся) тиристоре.

Что касается снабберной цепи, устанавливаемой параллельно тиристору, то она, строго говоря, ограничивает не скорость изменения напряжения, а величину его всплесков (они могут быть вызваны как помехами в сети, так и процессом закрывания тиристора). Как побочный эффект от ослабления помехи, пропорционально уменьшается и скорость изменения напряжения. Оба этих фактора приводят к желаемому эффекту, исключая повторные или ложные открывания тиристора.

Методика расчёта снабберной цепи вытекает из механизма её действия. При резком изменении входного напряжения на величину ΔUвх начальный ток через снабберную цепочку составляет ΔU/R, где ΔU - изменение напряжения на тиристоре. Без снабберной цепи ΔU = ΔUвх. В результате, по сравнению со схемой без снабберной цепи, величина помехи уменьшается и составляет ΔU = ΔUвх·R/(Rн+R), где Rн - сопротивление нагрузки тиристора (плюс внутреннее сопротивление сети). Ёмкость конденсатора выбирается как компромисс - чтобы за время действия помехи напряжение на конденсаторе не успело сильно измениться, и в то же время, чтобы на рабочей частоте его сопротивление было достаточно велико. Примерно такой же компромисс решается при выборе резистора: чем его сопротивление меньше, тем эффективнее подавляются всплески напряжения, но одновременно увеличиваются паразитный ток через снабберную цепь и, что важнее, паразитные импульсы тока в моменты открывания тиристора или включения устройства.

Для практических расчётов можно задаться сопротивлением резистора в несколько десятков или сотен ом. Меньше нежелательно, иначе будут слишком большие импульсы тока. А ёмкость конденсатора выбирается по возможности большой, но в рамках заданной мощности на резисторе и в рамках приемлемого паразитного тока через цепочку.

dedan писал(а):значит ставить 4700 Ом и 60 нФ почему-то нельзя??

Выбор номиналов не очень критичен, но сопротивление в 4,7 кОм слишком велико, с ним не будут эффективно гаситься помехи. Например, если тиристор имеет ток удержания 100 мА, то с резистором на 4,7 кОм выброс напряжения в случае индуктивной нагрузки может составить до 470 В.

Самое интересное, что во многих случаях схема прекрасно работает и без снабберной цепи даже с индуктивной нагрузкой. Просто при закрывании тиристора на нём происходит колебательный процесс, который всё равно заканчивается, когда индуктивность разряжается (это происходит не позже, чем ток через индуктивность начнёт менять направление). Откройте, например, старую книжку со схемами на симисторах КУ208Г. Там коммутируется различная нагрузка, в том числе компрессоры холодильника, и нигде нет снабберных цепей. Сейчас стало модно везде ставить снабберные цепи, хотя они далеко не везде реально нужны (разве что в промышленной аппаратуре с повышенными требованиями к надёжности). Я, например, без снабберов коммутировал симисторами КУ208Г электродрель и пылесос.

но мне еще говорили что эта RC дополнительно помогает от всплеска напряжения на индуктивности.. если вдруг так получится, что ток через нее(индуктивность) пропадет не тогда когда он будет нулевой.. например если почему то разомкнет автомат который подводит фазу..

В этом случае ток не прервётся, он пойдёт через другую нагрузку, подключённую после автомата, пока индуктивность не разрядится. Ток резко может прерваться, только если оборвётся провод, идущий для питания этого устройства. Но тогда защищать нужно не симистор (цепь с ним окажется разомкнутой), а нагрузку. Причём защищать надо варистором, так как снабберная цепь просто не справится из-за слишком большого тока. Если по этому же проводу питается другая относительно маломощная нагрузка (например, источник питания для коммутирующего устройства), то варистор также его защитит от перенапряжения.

Реклама

eufs

...она, строго говоря, ограничивает не скорость изменения напряжения, а величину его всплесков

Чтобы это сделать, надо знать параметры всплесков и помех. Это можно ограничить их величину, например в ИИП, где эти всплески определены конкретно взятой индуктивностью. Отсюда их длительность, отсюда можно посчитать постоянную времени.
Методика расчета RC-цепи всегда сводилась к времени ее действия. Прямым действием времени ее работы - временем заряда конденсатора ограничивается именно скорость. Так как в течении этого времени (грубо говоря) ток проходит через заряжающийся конденсатор. Это создает наклон в импульсной характеристике цепи.
В данном конкретном случае время заряда будет зависеть от сопротивления нагрузки (активного и реактивного) - отсюда выбирается R. Совсем малым тоже его брать нельзя, потому как увеличивается расчетная емкость конденсатора, который будет создавать большие импульсы тока в момент открытия тиристора.
В свою очередь конденсатор выбирается из критического времени нарастания напряжения применительно к симистору (или тиристору). Из за этого для маломощных нагрузок R и получается большим, а С относительно малым. Нет смысла греть резистор снаббера, если скорость и так ограничивается до безопасного уровня. Отсюда и расплывчатые рекомендации в ПДФ, потому как это зависит от коммутируемой нагрузки.
Для мощных нагрузок (в частности 100А 380В, устройство называется ТКЕП-100, электронный трехфазный АВР) резисторы стоят 3.3 ома 10вт , а конденсаторы МБГЧ 0.5 750В. Кстати для схемы управления коммутацией применяются датчики проводимости силовых тиристоров, собранных встречно-параллельно на каждую фазу. Датчики проводимости сделаны в виде генераторов на кольце, которое одето на силовой провод. Из за насыщения, ПОС для генерации возможна только в отсутствии тока в этом проводе.
Это пылесосом можно управлять без снаббера, пробьется симистор, все равно будет пылесосить. Если вы делаете что-то для промышленного применения можете задаться предельным током через симистор и рассчитать снаббер. Он никогда не будет лишним в условиях промышленных сетей и мода тут не причем.

Реклама

Aenigma

eufs писал(а):Чтобы это сделать, надо знать параметры всплесков и помех. Это можно ограничить их величину, например в ИИП, где эти всплески определены конкретно взятой индуктивностью. Отсюда их длительность, отсюда можно посчитать постоянную времени.

Вы исходите из неточных представлений о принципе работы снабберной цепи. При выборе снабберной цепи постоянная времени не играет решающую роль, играет роль её сопротивление на высокой частоте. Действительно, если я уменьшу в 100 раз ёмкость конденсатора, а сопротивление резистора в 100 раз увеличу, то постоянная времени не изменится, но полученная цепь будет практически бесполезной в плане подавления импульсных помех.

Enman

Как-то всё обсуждение свелось к защитной функции этой цепи...А, по-моему, исходящим началом у неё совсем другая задача была - обеспечить симистор током включения в момент подачи управления при индуктивной нагрузке, когда ток через неё нарастает плавно. Отсюда можно её рассчитывать по длительности тока поддержания пока не превысится ток удержания через нагрузку.
Поэтому для мощных симисторов резистор цепи уменьшается, а ёмкость для сохранения времени соответственно увеличивается. Для бытовых применений симисторов с небольшим током удержания хватает десятков ом при меньшем конденсаторе.
Например, при подаче управления, когда в сети мгновенное значение 40 В, через 39 Ом имеем импульс тока через симистор 1 А от заряженного до 40 В конденсатора 0,01, что более чем достаточно. Т.е. с меньшим резистором можно раньше включить нагрузку ( или наоборот, ближе к концу синусоиды). При таком подходе получается, что если сигнал управления симистором непрерывный ( а не один импульс включения ), то наличие цепи даже необязательно, что ли.....??!
Паразитное влияние тока этой цепи на нагрузку тоже не исключается.

dedan

Enman

подаче управления, когда в сети мгновенное значение 40 В, через 39 Ом имеем импульс тока через симистор 1 А, что более чем достаточно

в схеме на рис. 1 что я прикладывал, при мгновенном напряжении 40 Вольт, ток через гейт симистора будет 40/(360+470)= 48 мА и вот этот ток важен для открытия.. 1 Ампера там вроде как совсем быть не может..

или я не прав?

Aenigma

Вы исходите из неточных представлений о принципе работы снабберной цепи

то что писал eufs про то, что для симистора важно именно dV/dt правильно.. Aenigma посмотрите http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-3008.pdf там очень подробно и интересно)) рассказывают зачем нужны снаберы и какие именно dV/dt бывают...

Действительно, если я уменьшу в 100 раз ёмкость конденсатора, а сопротивление резистора в 100 раз увеличу, то постоянная времени не изменится, но полученная цепь будет практически бесполезной

вы правы! только не правильно менять просто RC как я понимают тут еще важен параметр "коэффициент затухания" r=(Rснаб/2)*корень(Сснаб/L) а тогда получается чтобы не менять r надо при изменении Rснаб например в 10 раз менять Cснаб в 100 раз !!! хотя судя по методике AN-3008 (стр 12) любое изменение Сснаб неизбежно меняет dV/dt ))))) и мне это очень не нравится в методике((

но сопротивление в 4,7 кОм слишком велико, с ним не будут эффективно гаситься помехи. Например, если тиристор имеет ток удержания 100 мА, то с резистором на 4,7 кОм выброс напряжения в случае индуктивной нагрузки может составить до 470 В

тогда вопрос почему на графиках(рис 4) которые я приложил к посту, с такой RC, нету всплесков на 470 вольт? симистор BTA225-800 как я вижу из документации на него, имеет ток "нуля"-закрытия от 30 до 60 мАмпер... и всплески при закрытии с резистором 47 Ом (на рис 2) заметно больше чем с 4700 Ом...

eufs

Aenigma писал(а):Вы исходите из неточных представлений о принципе работы снабберной цепи...

На высокой частоте сопротивление определено резистором. Этот резистор выбирается от сопротивления нагрузки. Зная резистор, можно посчитать постоянную времени и определить емкость конденсатора, чтобы время нарастания напряжения не превышало критическую.
В каком месте неправильные представления о работе?
При импульсно-фазовом управлении и работе на индуктивную нагрузку и ток и напряжение приобретают настолько разнообразную форму, что рассчитать снаббер с оглядкой на это, наверное, не получится. Нужны другие методы достижения устойчивой работы. Для маломощных цепей можно рекомендовать резистор параллельно нагрузке, чтобы создать путь току мимо снаббера. В другом случае можно регулировать целыми периодами тока (не напряжения).

Enman

dedan писал(а):или я не прав?

Да, я соглашусь с определённым уменьшением скорости нарастания напряжения за счёт снабберной цепи.
А ток управления и "анодный" ток удержания симистора-тиристора в открытом состоянии - вещи разные. Я считал 1 А для тока удержания.

Aenigma

dedan писал(а):то что писал eufs про то, что для симистора важно именно dV/dt правильно..

А никто и не спорит с тем, что для симистора важно не превышать dV/dt (кстати, вся важность сводится к тому, что превышение dV/dt вызовет открывание симистора). Я рассказал о том, как работает снабберная цепь (на уровне, достаточном для большинства практических задач) и как она влияет на симистор. Пока мне к этому нечего добавить. У меня используется асимптотическая модель, справедливая при очень крутых фронтах и срезах импульсов. При этом вместо dV/dt оперируем амплитудами импульсов. Что характерно, используемые в различных схемах номиналы элементов снабберных цепей хорошо согласуются с моими объяснениями. А колебательный процесс, который возникает при закрывании симистора, особого интереса не представляет, если амплитуда колебаний заведомо небольшая (т.е. нам всё равно, какое там dV/dt, если не будет существенных выбросов, так как симистор всё равно закроется к моменту смены полярности тока).

тогда вопрос почему на графиках(рис 4) которые я приложил к посту, с такой RC, нету всплесков на 470 вольт?

Потому что это теоретический максимум для 100 мА. У этого симистора ток удержания меньше - это во-первых. Во-вторых, это справедливо только при очень высокой скорости нарастания напряжения, на практике выброс не успеет добраться до теоретического максимума. В-третьих, как только напряжение начинает подскакивать, симистор может снова открыться.

симистор BTA225-800 как я вижу из документации на него, имеет ток "нуля"-закрытия от 30 до 60 мАмпер... и всплески при закрытии с резистором 47 Ом (на рис 2) заметно больше чем с 4700 Ом...

Я пока не очень понимаю, что изображено на Ваших картинках, а именно, как Вы закрываете симистор в середине полуволны... Кроме этого, мы говорим о защите симистора от всплесков напряжения, а Вы показываете напряжение на нагрузке. Хотя теоретически напряжение на симисторе должно себя вести зеркально, это уже получаются косвенные измерения.
Есть ещё один момент: схема на рис. 1 содержит две параллельно соединённых снабберных цепи, причём для управления симистором используется отвод от одной из этих цепей. Я сейчас не хочу вникать, как это отразится на поведении схемы, но если мы ведём теоретическую дискуссию, то иллюстрации к ней не должны содержать посторонних цепей.

dedan

Aenigma писал(а):Я пока не очень понимаю, что изображено на Ваших картинках

на рисунках приведены осциллограммы напряжения на индуктивной нагрузке.. симистор открывается в середине полу периода напряжения сети 220В 50Гц.. то есть во время 5 и 15 миллисекунд.. из-за влияния индуктивной нагрузки запаздывает за напряжением и ноль тока смещен в право относительно нуля напряжения.. на осциллограмме показан кусочек на котором с лева сначала идет остаток от отрицательной полу волны, затем закрытие симистора по нулю тока(и переходной процесс вызванный этим закрытием), а затем открытие симистора в середине положительной полу волны..
и вот по графикам хорошо видно, что при Rснаб 47 Ом переходной процесс идет и с большей амплитудой (порядка 75 Вольт по графику исходя из того, что 50 Вольт в клетке и ноль смещен на пол клетки вверх) и с большим временем(что совпадает с формулой для расчета коэффициента затухания, где при таком Rснаб получается очень маленький коэффициент затухания и как следствие больший всплеск и более долгий процесс - это по методике ан3008..) а по другому графику видно, что при моей снаберной цепочке 4700 Ом и 60 нФ получается быстрый переходной процесс и без всплеска.. так как я подбирал под большой коэффициент затухания..

и по схеме подключения вторая снаберная цепь 470 Ом и 0.05 мкФ это такой-же снабер, но для симистора который стоит в оптроне.. и при снятии осциллограм емкость 0.05 мкФ не ставилась..

Enman
я понял о чем вы говорите вы имеете в виду что снаберная цепь, при разряде из-за открытия оптрона, обеспечит необходимый ток и через гейт и через сам симистор и тем самым поможет его открытию.. надо конечно промоделировать этот процесс(хотя я смотрел на сколько сигнал на управлении опережает сигнал на нагрузке и он одинаковый и что с этой цепочкой и что без нее, а если бы было как вы говорите то с снабером где стоит 47 Ом сигнал на нагрузке бы почти не отставал от управления так как тока там предостаточно.. хотя может 10 нФ мало и получающийся импульс не достаточно длинный), но я почти уверен что при такой схеме включения как на рис 1, и при управлении синусоидой, такого разряда происходить не будет.. а если будет то он не так важен для этой схемы тк оптрон управляется обычно не короткими импульсами, а длинными и их длительность порядка нескольких миллисекунд(меня так учили).. и тогда уже будет ток через индуктивность..

dedan

и еще один вопрос к Aenigma
если считать что RC нужна только для ограничения всплеска на симисторе-тиристоре почему во всех методиках до сих пор не заменили RC на варистор или защитный диод, там по таблице напряжение выбираешь и все.. ничего считать и подбирать не нужно..

Aenigma

dedan, я так понимаю, это не столько вопрос, сколько попытка переубедить меня.

Так вот, по поводу диода. Он действительно эффективно подавляет всплески и ставится на постоянном токе. На переменном токе по понятным причинам диод не поставишь.
По поводу варистора. Он обычно ставится параллельно нагрузке или параллельно входному сетевому напряжению. Поскольку он рассчитан на большие импульсные токи, то способен защитить нагрузку с её большими токами в случае обрыва питающего напряжения или мощных помех. Параллельно симистору варистор ставить нецелесообразно, поскольку выбросы на нём вызваны сравнительно небольшим током удержания. С такими выбросами гораздо эффективнее справляется снабберная цепь. Варистор - слишком грубое средство для этого, так как он реагирует только на выбросы, заметно превышающие сетевое напряжение.

P.S. Я не отрицаю, что для ряда приложений (например, в случае запираемых ключей) расчёт снабберной цепи может учитывать процесс затухания колебаний, однако при обычной коммутации нагрузки симистором этот расчёт, на мой взгляд, должен производиться проще. В принципе, снабберные цепи во многих схемах согласуются с этой точкой зрения.

и вот по графикам хорошо видно, что при Rснаб 47 Ом переходной процесс идет и с большей амплитудой (порядка 75 Вольт по графику исходя из того, что 50 Вольт в клетке и ноль смещен на пол клетки вверх) и с большим временем(что совпадает с формулой для расчета коэффициента затухания, где при таком Rснаб получается очень маленький коэффициент затухания и как следствие больший всплеск и более долгий процесс - это по методике ан3008..)

Графики теперь понятны, спасибо. Хотя было бы интересно посмотреть на график напряжения на симисторе.
Кажется, я понял, в чём фишка. Расчёт по методике оптимизирует процесс затухания, но, во-первых, результат будет зависеть от параметров нагрузки, во-вторых, выброс напряжения на симисторе в самый первый момент времени может оказаться большим (ориентировочно он пропорционален Rснаб). Поэтому на практике, особенно если нагрузка может иметь различные параметры, процесс затухания не оптимизируют, а уменьшают первичный выброс напряжения за счёт выбора резистора на несколько десятков ом. Кстати, эта же цепь защищает симистор и при помехах в сети. Может быть ищут некий компромисс между оптимизацией затухания и подавлением выброса. Этот подход оправдан, поскольку на практике обычно не существенно, как затухают колебания.

eufs

Aenigma писал(а):... Параллельно симистору варистор ставить нецелесообразно, поскольку выбросы на нём вызваны сравнительно небольшим током удержания. С такими выбросами гораздо эффективнее справляется снабберная цепь. Варистор - слишком грубое средство для этого, так как он реагирует только на выбросы, заметно превышающие сетевое напряжение.

Есть чудесные двунаправленные сапрессоры. Точные и мощные.
Снаббер эфективно справится с амплитудой, если время действия выброса будет меньше его постоянной времени.
Как вы его посчитаете, исходя от амплитуды, если это включено в сеть? От нагрузки и ее индуктивности? А сварочный аппарат у соседа? А если другую нагрузку с емкостью включить? Тогда он вообще, по-вашему, не нужен.
Симисторам амплитуда не страшна в пределах, указанных в даташите. Вертикально открываются не за счет амплитуды, а просто от скорости. Электроны с дырками по слоям не успевают бегать

Aenigma

eufs писал(а):Есть чудесные двунаправленные сапрессоры. Точные и мощные.

Ну и какое преимущество они дадут для защиты симистора по сравнению со снаббером, если будут срабатывать, например, при 400 В?

Снаббер эфективно справится с амплитудой, если время действия выброса будет меньше его постоянной времени.

Не так. В самый первый момент времени подавление амплитуды зависит только от тока помехи (в случае выключения симистора это ток удержания) и сопротивления резистора в снаббере. Для дальнейшего подавления импульса важно, чтобы C >> L / R^2, поскольку длительность импульса пропорциональна L нагрузки.

Как вы его посчитаете, исходя от амплитуды, если это включено в сеть? От нагрузки и ее индуктивности? А сварочный аппарат у соседа? А если другую нагрузку с емкостью включить? Тогда он вообще, по-вашему, не нужен.

Вы о чём говорите? О помехах в сети? Очевидно, что снаббер не является панацеей от них, однако они также будут ослабляться, и вероятность самопроизвольного открывания симистора будет меньше. Практические рекомендации по выбору снабберной цепи я уже приводил.

eufs

Aenigma писал(а):...Не так. В самый первый момент времени подавление амплитуды зависит только от тока помехи (в случае выключения симистора это ток удержания) и сопротивления резистора в снаббере. Для дальнейшего подавления импульса важно, чтобы C >> L / R^2, поскольку длительность импульса пропорциональна L нагрузки.

Еще не так...Скорость роста напряжения будет зависеть от тока помехи.

... Очевидно, что снаббер не является панацеей от них, однако они также будут ослабляться, и вероятность самопроизвольного открывания симистора будет меньше. Практические рекомендации по выбору снабберной цепи я уже приводил.

Любая защита имеет степень, при очень больших амплитудах тока снаббер может не справится со скоростью. А если справится, то напряжение может и вырасти до пробоя.

Aenigma

eufs писал(а):Снаббер эфективно справится с амплитудой, если время действия выброса будет меньше его постоянной времени.

В случае, если выброс вызван индуктивной нагрузкой, эта зависимость выглядит иначе (я приводил формулу выше), но в принципе Вы правы! Для подавления импульса должно выполняться t<<RC, хотя это больше относится к помехам, идущим из сети. Здесь есть три «но»:
1) Фильтрация таких помех не основная задача снаббера (хотя они тоже ослабляются).
2) Длительность t помехи, вообще говоря, неизвестна.
3) Амплитуда первоначального импульса и скорость нарастания наряжения, как и в других случаях, почти не зависит от C, и определяется сопротивлением R (прямо пропорциональны). Данное обстоятельство обуславливает выбор резистора в снаббере не более нескольких десятков или сотен ом.

eufs

Aenigma писал(а):...
3) Амплитуда первоначального импульса и скорость нарастания наряжения, как и в других случаях, почти не зависит от C, и определяется сопротивлением R (прямо пропорциональны). Данное обстоятельство обуславливает выбор резистора в снаббере не более нескольких десятков или сотен ом.

Поподробнее поясните как может конденсатор не влиять на скорость, если течет ток заряда.