Диссертация (Транзисторное устройство защиты авиационных систем распределения электроэнергии от аварийных электрических разрядов), страница 13

Характерные признаки последовательной дуги. Методы еёиндикации по этим признакам.4.2.1 Уровень шума дуги.Сигналом на вход устройства защиты, как правило, являютсяпульсации тока в фидере нагрузки, выделенные из общего тока с помощьютрансформаторов, либо резистивных датчиков тока и RC цепочек, чтопредпочтительнее в составе АЗК, где резистивный датчик тока уже имеется.Заметим также, что современная вычислительная техника позволяетдостаточно достоверно измерить размах пульсаций на фоне постояннойсоставляющей тока без применения дифференцирующих цепей и избежатьпаразитных искажений сигнала во время переходных процессов.На рис. 4.5 приведены зависимости размаха пульсаций тока в фидерах сR, RL и RC нагрузками от их частоты в диапазоне 0,01…15 кГц,рассчитанные с учётом нормативов на пульсации сетевого напряжения поГОСТ Р 54073-2010 для авиационных СЭС постоянного тока напряжением27 В.

В расчётах приняты следующие константы: ток нагрузки – 3 А,активные сопротивления нагрузок – 9 Ом, постоянные времени реактивныхнагрузок – 8 мс (по авиационным нормалям), индуктивность RL нагрузки –72 мГн, ёмкость RС нагрузки – 900 мкФ. Пульсации тока в резистивныхнагрузках копируют пульсации напряжения сети, пульсации тока в RLнагрузках убывают, а в RС нагрузках – возрастают с ростом частоты. Нарисунке 4.5 пунктиром нанесены уровни максимального размаха пульсацийтока реальных дуговых разрядов в цепях с упомянутыми выше нагрузками.Дуга создавалась постепенным увеличением зазора между меднымиконтактами до максимальной величины в 1 мм. Максимальный размахпульсаций выделялся из общей картины дуги на каждом из десятиинтервалов процесса продолжительностью в 0,1 с, затем результатыусреднялись на общем интервале индикации в 1 секунду.

Сравнениеразмахов пульсаций дуги с размахом сетевых пульсаций свидетельствует обезусловнойприменимостиданногометодаиндикациивцепяхс87нерегулируемыми RL и R нагрузками с условием выделения ограниченныхконтрольных диапазонов частоты: для RL нагрузок – 0…1000 Гц, для Rнагрузок – 0…100 Гц. Для цепей с RС нагрузками (ИВЭ РЭА) методнеприменим, если на входе ИВЭ по рекомендации их разработчиковприходится устанавливать конденсаторы большой ёмкости.Рис.

4.5. Зависимости размаха пульсаций тока в фидерах с R, RL и RCнагрузками от их частоты в диапазоне 0,01…15 кГц для авиационных СЭСпостоянного тока напряжением 27 В.На рис. 4.6 приведена функциональная схема индикации дуги в RL и Rнагрузках по уровню шума. В составе тракта прямой передачи сигнала:фильтр высокой частоты ФВЧ, выделяющий переменную составляющуютока дуги, буферный каскад БК, фильтр нижних частот ФНЧ с полосойпропускания 0…200 Гц, уменьшающий сетевые помехи, усилитель, детектор,компаратор К5 с источником опорного напряжения ИОН5 на уровне сетевыхпомех и интегратор с блокирующим ключом Кл и цепью обратной связи,вносящей блокировку выходной команды на отключение АЗК. В составевспомогательных узлов: компаратор нулевого тока К1, блокирующий работуинтегратора в режиме нормально отключённой нагрузки, компараторы К2 иК3, отслеживающие переходные режимы увеличения и уменьшениянапряжений сети и блокирующие интегратор на время этих переходных88процессов, цепь задержки ЦЗ и компаратор К4, блокирующие интегратор впусковых режимах нагрузки.Рис.4.6.

функциональная схема индикации дуги в RL и R нагрузках поуровню шума.На рис. 4.7 приведена компьютерная модель схемы в пакете PSpiceсистемы OrCAD (здесь и далее). Основной тракт схемы содержит следующиеузлы: дифференцирующая цепь С2,R12, выделяющая переменнуюсоставляющую шума из сигнала, снимаемого с датчика тока R11,установленного в силовой цепи АЗК; буферный повторитель на U1; НЧ фильтр на R13, R14, C3,C4; буферный повторитель на U2; усилитель на U3; двухполупериодный детектор на U6; формирователь прямоугольных импульсов на U8 с опорнымнапряжением V16, рассчитанным по максимальной амплитудесетевых помех; интегратор на R35,C10; компаратор на U9 с цепью блокировки R41, D11.89Силовые цепи моделируются следующими узлами: МДП транзистором М1 в качестве силового ключа АЗК суправляющим источником напряжения V1, цепью отключения наQ1, цепью ограничения тока на Q2 и цепью ограничения напряженияна D2,V18; резистивная, RL и ламповая нагрузки в виде R1, L1, R3, R5, R6, C1; имитатор напряжения сети в установившихся и переходных режимахна источниках напряжения V3…V5, V7…V11 с ключами S1…S5; цепь передачи сигнала о напряжении сети в схему индикации дуги на«зеркалах тока» Q3, Q4 и Q5, Q6; имитатор сетевой помехи на V2; имитатор шума дуги на V6.В процессе функционирования схемы возможно возникновениеследующихнепериодическихпомех,способныхвызватьложноесрабатывание: включение напряжений ± 15 В, питающих схему; включение нагрузки; резкое увеличение и сброс сетевого напряжения.Наиболее интенсивные непериодические помехи возникают в процессерезких изменений сигнала с датчика тока при коммутациях нагрузки искачках напряжения сети, что вызывает переходные изменения напряженияна входе, продолжительность которых определяется постоянной временидифференцирующего звена С2, R12.

Для исключения влияния этих помех всхеме предусмотрена кратковременная блокировка интегратора с помощьюключа на Q7, который управляется с выходов двух одновибраторов. Один изних (на U7) запускается компараторами повышенного и пониженногонапряжений сети (микросхемы U4, U5). Другой одновибратор (на U10)запускается, напряжением питания схемы АЗК (+15 В), либо сигналомвключения АЗК.90Рис. 4.7. Компьютерная модель индикатора дуги по её шуму.91Нарис.4.8приведенывременныедиаграммыпроцессов,иллюстрирующих работу схемы. В интервале времени 0…1,1 с происходитвключение питания схемы АЗК, включение силового транзистора, всплесксетевого напряжения до уровня 60 В, сохранение этого уровня в течение100 мс, пауза между всплеском и сбросом, сброс напряжения до уровня 18 В,сохранение этого уровня на время в 50 мс и затем восстановлениеноминального напряжения 27 В.

Начиная с точки 1,1 с вводится действиеимитатора шума дуги с амплитудой 10 мВ, приведённой к датчику тока в 0,1Ом. Сетевая помеха присутствует постоянно от начала включения нагрузки.Рис. 4.8. Временные диаграммы процессов в схеме на рис. 4.7.На верхней диаграмме – напряжение сети, пересчитанное через два«зеркала тока» в точку «Set».

Ниже – импульсные помехи, усиленныекаскадом на U3 (точка «out_U») и напряжения на выходе одновибратора сети«ov_seti» и одновибратора цепей питания «ov_pit». На нижней диаграмме –напряжение на конденсаторе интегратора «out_C» и напряжение на выходевсей схемы («out»).92Схема может быть упрощена за счёт исключения одновибраторов,компараторов,контролирующихнапряжениесетииблокирующеготранзистора Q7, если увеличить ёмкость конденсатора в интеграторе до5…10 мкФ. Моделирование такого варианта показывает, что задержкасрабатывания схемы на дугу не превышает одной секунды.Испытания макета схемы проводились на лабораторном стенде,разработанном ранее для исследований транзисторных АЗК (рис.

4.9). Стендпозволяет создавать следующие режимы: однократные и периодические короткие замыкания нагрузки АЗК; переходные режимы повышения и понижения напряжения сети вциклическом режиме (в частном случае по нормам КТ-160); режим воздействия коммутационными помехами по входу АЗК; режим гармонической сетевой помехи по цепи питания.В комплекте со стендом используются следующие приборы: набор лабораторных источников постоянного напряжения (серияТЕС); генератор периодических сигналов типа Г6-27; генератор синусоидального напряжения Г3-33.Рис. 4.9.

Фотография рабочего места.93В ходе испытаний были получены результаты, подтверждающие итогикомпьютерного моделирования. Наряду с положительными результатамииспытаний схемы с индуктивными и ламповыми нагрузками подтвердилисьограничения на применимость метода индикации дуги по уровню её шумапри работе АЗК на емкостные нагрузки. Для решения вопроса оприменимости рассмотренной схемы в цепях с ИВЭ РЭА необходимо иметьсведения о составе и параметрах фильтра во входной цепи ИВЭ.Далее можно зафиксировать следующее: метод неприемлем для цепей с КДПТ ввиду наличия значительныхпо амплитуде пульсаций якорного тока машины; необходимость применения полосовых реактивных фильтров длявыделениярациональныхчастотныхдиапазоновзатрудняетиндикацию дуги в цепях с ИПН и ШИМ нагрузками из-завозникновения переходных пульсаций токов; эффективность метода снижается тем, что размах пульсаций токадуги и напряжения на дуге зависит от многих факторов: величинызазора, материала, состояния и условий охлаждения электродов, атакжеотсреднегоэкспериментальнозначенияустановленотоканагрузки;приотсутствиеэтомпрямойпропорциональности между средним значением тока в RL и Rнагрузках и размахом пульсаций тока и напряжения (см.

главу 3).4.2.2. Прямое измерение размаха пульсаций тока дуги цифровымметодом.Измерение размаха пульсаций дуги в десятки милливольт на фонепостоянной составляющей напряжения в сотни милливольт в сигнале сдатчика тока можно произвести цифровыми средствами напрямую, т.е. неразделяя постоянную и переменную составляющие. Это позволяет избежатьвозникновенияимпульсныхпомехприрезкихизмененияхсигнала.Предлагаемый способ заключается в циклическом измерении максимальныхи минимальных напряжений сигнала, вычислении их разницы, сравнении94полученных результатов с заданной величиной размаха пульсаций внеаварийном сигнале.

Многократно повторившийся факт превышенияразмаха пульсаций реального сигнала над эталонным на достаточнопродолжительном интервале измерения (например, 1 секунда) расцениваетсякак возникновение дуги.Испытанияцифровойсхемыналабораторномстендедалиположительные результаты при управлении индуктивными и ламповыминагрузками. При управлении ИВЭ РЭА наблюдались устойчивые ложныесрабатывания в отсутствие дуги из-за наличия в сигнале циклическихкоммутационных высокочастотных помех от ИВЭ, возникающих на фронтахпереключения силовых транзисторов и проникающих на вход АЦП сквозьдвухзвенныйнизкочастотныйНЧфильтрмакета,выполненныйнадискретных навесных элементах.

Кроме того, ограничения по токам отсетевых пульсаций, описанные в предыдущем разделе, сохраняются и здесь.Отсутствие достоверных сведений о характере процессов в цепяхпитания ИВЭ реальных устройств ЛА вынуждает исключить данный методиндикации дуги из числа пригодных для силовых цепей с ИВЭ РЭА.4.2.3 Наличие шума во всей полосе рабочих частот.В основе метода – несоответствие спектра дуги и спектров сетевыхпульсаций, скорректированных свойствами нагрузок. Метод предполагаетзнание частотных свойств системы электроснабжения конкретного объекта иможет быть реализован, например, с помощью нескольких узкополосныхфильтров, настроенных на частоты предполагаемого «молчания» спектровСЭС. В заявке США № US 2004/0156153 (Honeywell Inc.) описано устройствообнаружения дуги в самолётных системах по признаку наличия шума начетырёх некратных частотах, выбранных в диапазоне 2…15 кГц (2 кГц,3 кГц, 5 кГц и 7 кГц), который расположен выше максимально возможнойчастотыавиационныхгенераторовпеременноготока(800Гц).Одновременное присутствие шума на всех четырёх частотах при условии95отсутствия шума в общей питающей сети и в проводах заземлений означает(по мнению авторов) наличие аварийной дуги.Наиболее полно, идея обнаружения дуги по её шуму отражена впубликации [15] и в патенте № ЕР 1695425 В1 ( Fachhochschule, Dortmund),полученномавторамипубликации,гдепредлагаетсяустройствосканирования частотного диапазона для сравнения полученного спектра соспектрами известных нагрузок и спектрами самолётной сети.