Меню

Напряжение короткого замыкания для преобразователя

Продумываем защиту преобразователя частоты

Опубликована Среда, 10 Сентябрь 2014 12:24 | | Просмотров: 16604

Факты выхода из строя частотных преобразователей при коротком замыкании выходных цепей и при наличии функции защиты от короткого замыкания в частотном преобразователе вызывают множество споров как относительно факта работоспособности защиты, так и относительно дополнительных внешних устройств, помогающих защитить частотник.
При управлении электродвигателем преобразователь частоты измеряет ток в двух или трех выходных фазах (достаточно, чтобы диагностировать сверхток в третьей, но не позволяет обнаружить обрыв фазы), и при превышении тока над установленным номинальным значением выполняет действия по защите электропривода. Если речь идет о сверхтоке, не связанным с КЗ (не резко увеличилась нагрузка на двигателе), может отработать активная защита, которая снижает ток путем уменьшения частоты и напряжения, подаваемого на двигатель. Если активная защита не применяется, то отрабатывает отключающая защита первого уровня (работа подобна термическому расцепителю, обратная квадратичная зависимость от тока по времени при токах до 1,8-2 крат). Если ток достигает значений 1,8-2 крата от номинального, отрабатывает максимально-токовая защита, которая отключает IGBT модули (за время не более 10 мкс), разрывая цепь тока через двигатель.

Защитные функции, имеющиеся в преобразователе, эффективно функционируют в различных аварийных ситуациях, в том числе и при коротких замыканиях в цепях нагрузки (в силовом кабеле или в электродвигателе), НО выход из строя ПЧ все же возможен при некоторых условиях протекания тока (например при КЗ). Токи перегрузок при замыканиях, а также скорость нарастания тока могут достигать значений, при которых существует опасность выхода из строя преобразователя частоты.
IGBT-транзисторы, как и диоды выпрямителя преобразователя частоты, по своей природе имеют ограничения по сверхтокам (обычно 6 крат в течение 10мкс), возникающим при коротком замыкании, а также по способности к тепловому нагреву I^2t.
Первый случай — когда хозяева частотника сами обманывают защиту. При частом возникновении перегруза по току (подклинивающий механизм), защита не дает сбросить ошибку и блокирует пуск преобразователя частоты, пока не определит по тепловой модели разрешающие условия для пуска ПЧ. Отключив питание защита сбрасывает накопленную информацию и введенная в заблуждение разрешает пуск ПЧ. Вновь повторившийся сверхток вызывает разрушающий нагрев IGBT-транзисторов и выход из строя ПЧ.
Второй случайкороткое замыкание — наихудшая ситуация для ПЧ.
Скорость нарастания тока при коротком замыкании выхода, в первом приближении, определяется индуктивностью петли короткого замыкания (паразитной индуктивностью шин или проводов до точки замыкания) и напряжением питания выходных IGBT-модулей, а конечный ток суммарным сопротивлением цепи КЗ, самыми большими составляющими которого будет переходное сопротивление контактов коммутационных аппаратов.
U = 540 В — напряжение на звене постоянного тока, L = 0,2 мкГн — паразитная индуктивность петли короткого замыкания. Скорость нарастания при данных параметрах составляет 2500 А/мкс.
Таким образом, скорость нарастания тока при коротком замыкании выхода преобразователя весьма велика: за время, меньшее одной микросекунды, ток достигает значения, превышающего номинальное в несколько раз. Нахождение IGBT-транзистора при таком токе, вероятнее всего, приведет к его разрушению даже при исправной защите от короткого замыкания, время срабатывания которой значительно больше длительности процесса нарастания тока – примерно 10 мкс.
В зависимости от момента возникновения можно классифицировать два типа короткого замыкания, различающихся, соответственно, особенностями протекания тока и степенью токовой нагрузки IGBT-транзистора:
1) IGBT-транзистор включается (открывается) на уже имеющееся короткое замыкание в нагрузке.
2) Короткое замыкание на выходе преобразователя происходит после того, как IGBT-транзистор уже включен.

В первом варианте ток коллектора транзистора после момента замыкания возрастает по закону интегрирования в индуктивной нагрузке, затем значение тока стабилизируется: ток дальше не растет, транзистор входит в режим самоограничения. Для того, чтобы не произошло теплового разрушения транзистора, длительность тока короткого замыкания должна быть ограничена и для большинства IGBT-модулей она не должна превышать 10 мкс. При предельных режимах работы IGBT-транзистора допустимое количество коротких замыканий составляет количество порядка 10 раз.

Во втором случае ток коллектора резко увеличивается за доли микросекунды. Процесс нарастания тока в этой фазе неуправляем. Ток транзистора возрастает до весьма высокого уровня Iscmax, и нахождение IGBT-транзистора при таком токе может привести к тепловому перегреву и выходу его из строя за время, меньшее 1 мкс, т.е. еще до начала действия функции защиты, длительность срабатывания которой составляет ≈ 10 мкс.
Большое влияние на рост тока КЗ оказывает распределенная индуктивность кабеля (для мощности 30 кВт и длины 50 м = 0,24 мкГн/м) вовлеченного в петлю тока КЗ. Скорость тока составит 20 А/мкс, за время 10 мкс ток возрастет на 200 А. Даже если до момента короткого замыкания текущий ток IGBT-транзистора был равен номинальному, т.е.150 А, то достижение тока значения 150 А + 200 А = 350 А не представляет опасности для транзистора (кратность тока в течение 10 мкс равна 6).

Таким образом в первом случае выход из строя возможен в случае повторных включений, так как при учете кабеля защита все же успевает отключить IGBT-транзистор от тока КЗ, хотя и сокращает ресурс модуля, а во втором случае выход из строя возможен даже при первом появлении КЗ.

Основным методов борьбы с таким быстрым нарастанием тока служит установка моторного дросселя . Индуктивность даже простейшего dU/dt дросселя составляет 0,12 мГн, что приводит к росту тока равному 2,3 А/мкс при учете кабеля длиной 10м. За время 10 мкс при скорости нарастания 2,2 А/мкс ток IGBT-транзистора вырастет примерно на 23А, что вполне безопасно для IGBT- модуля.
Многие производители частотных преобразователей предлагают использовать для защиты ПЧ быстродействующие предохранители (OEZ, BUSSMAN) или автоматические выключатели с характеристикой «В» (3-5 крат максимальнотоковая защита) электронного или термомагнитного расцепителя.
Защитные аппараты для ПЧ решают, в основном, две задачи: предотвращение разрушения, плавления и, что крайне опасно, возгорания изоляции подводящей и приборной электропроводки при сверхтоках, которые могут возникнуть при внутренних коротких замыканиях, а также, по возможности, ограничение токовых нагрузок во входных цепях полупроводниковых приборов ПЧ (выпрямительные мосты).
Как было просчитано выше, эффективность работы встроенной защиты куда выше эффективности предлагаемых устройств для отключения IGBT-транзисторов для предотвращения выгорания IGBT-модуля, плюс наличие большой емкости на звене постоянного тока частично исключает из петли КЗ «сеть», что сказывается отставанием нарастания тока в цепи питания ПЧ от момента нарастания тока в самом IGBT-модуле. Остается только защита от возникновения пожара и сверхтоков в неуправляемой части ПЧ (которой может стать и цепь IGBT модулей при тепловом пробое «на короткую»).
Возникают вопросы, — насколько защитный аппарат предохраняет выпрямительный мост от выхода из строя? Что лучше — плавкий предохранитель или автоматический выключатель?
Характеристики срабатывания электроаппаратов, предлагаемых производителями ПЧ в качестве защитных средств ПЧ, — быстродействующих плавких предохранителей Bussman JJS и стандартных автоматических выключателей с характеристикой «В» комбинированного расцепителя, например, фирмы ABB говорят о равнозначности защиты. Если взять за критерий отбора ток срабатывания электроаппарата для времени срабатывания 0,01 сек. (длительность полупериода сетевого питающего напряжения частотой 50 Гц), то, практически, плавкие быстродействующие предохранители и автоматические выключатели с характеристикой «В» равнозначны.
При выборе аппарата защиты следует учесть тот факт, что если в аппарате реализована защита I^2t, то следует номинальный ток аппарата выбирать несколько больше, чем номинальный входной ток ПЧ. Это обусловлено нелинейным (неравномерным) потреблением тока из сети преобразователем частоты, что выражается ошибочным срабатыванием защиты за счет проскакивания импульсов тока, большего чем номинальный, который защита интегрирует как ток перегрузки. Максимальнотоковая защита аппаратов зачастую справляется с импульсом зарядки конденсаторов звена постоянного тока, а I^2t защита аппарата выше или равна собственной I^2t защиты ПЧ, что тоже не приведет к неприятному сюрпризу.
Ток КЗ через питающую сеть обусловлен индуктивностью и сопротивлением самой сети, таким образом для случаев подключения ПЧ к трансформатором мощностью выше 1000 КВА производителем рекомендуется установка сетевого дросселя для предотвращения ситуации неотключения КЗ аппаратом защиты (ток выше Icu максимального тока отключения аппарата ниже планируемого тока КЗ).
По факту применение более эффективных средств защиты по входу способствует сохранности не только питающей сети, но и плат частотного преобразователя при КЗ на выходе, что выльется только в замену силовых модулей, а не полной заменой преобразователя частоты.

Читайте также:  Схема регулятора напряжения автомобиля 121 3702

Источник



Трансформаторы для преобразовательных установок — Требования к сопротивлениям и напряжениям короткого замыкания

Содержание материала

  • Трансформаторы для преобразовательных установок
  • Требования к сопротивлениям и напряжениям короткого замыкания
  • Схемы регулирования напряжения и стабилизации тока
  • Испытательные напряжения
  • Классификация преобразовательных трансформаторов
  • Конструктивные особенности
  • Основные серии преобразовательных трансформаторов

Представленные в табл. 6 сопротивления короткого замыкания являются одними из основных параметров трансформатора, существенно влияют на его конструкцию и массогабаритные показатели, а также параметры преобразователя. В двухобмоточном преобразовательном трансформаторе, ВО которого состоит из одной части и питает одну преобразовательную секцию, используется понятие сквозного короткого замыкания, которое определяет уровень аварийных токов, значение коэффициента мощности, а также изменение выпрямленного напряжения преобразователя в рабочих режимах. Требования к напряжениям короткого замыкания трансформаторов, имеющих ВО, расщепленную на две и более части, каждая из которых предназначена для питания отдельной преобразовательной секции, такие же, что и для трансформаторов с одной частью ВО и вытекают из необходимости ограничивать аварийный ток в трансформаторе и преобразовательной секции при коротком замыкании на шинах преобразователя, так как от его величины зависит электродинамическая и термическая стойкость трансформатора и преобразователя. Значение сквозного напряжения КЗ определяет также выбор уставок защиты электрооборудования. Если ВО трансформатора состоит из нескольких частей с одинаковой схемой соединения, увеличение сквозного сопротивления КЗ, вызванное требованием ограничения тока, приводит к росту потребления реактивной мощности и ухудшению коэффициента мощности преобразовательного агрегата. Если же ВО содержит несколько частей с разными схемами соединения, указанной зависимости может и не быть, так как потребление реактивной мощности зависит от сопротивления КЗ трансформатора в режиме коммутации. В наиболее распространенных сложных схемах преобразования, каковыми являются двенадцатифазные, одновременно коммутируют вентили половины преобразовательных секций, питаемые от частей ВО с одинаковой схемой соединения (при угле коммутации не более 30 эл. град.). Так как индуктивное падение напряжения преобразователя зависит от индуктивной составляющей напряжения КЗ коммутации, в значительной мере определяющего величины выпрямленного напряжения и коэффициента мощности агрегата, то требования к данному виду сопротивления КЗ трансформатора сводится к его минимизации. Из понятия напряжения КЗ коммутации следует, что в преобразовательном трансформаторе столько сопротивлений коммутации, сколько групп соединений обмоток имеет трансформатор. Как правило, существует требование к определенному соотношению этих сопротивлений коммутации, что связано с требованием обеспечить заданное деление тока между параллельными преобразовательными секциями, питающимися от частей с разными семами соединения. Для выравнивания тока между запараллеленными преобразовательными секциями, питающимися от частей ВО с одинаковой схемой соединения, должно выполняться требование равенства сопротивлений коммутации частей. Выполнение заданного соотношения между сопротивлениями коммутации частей позволяет трансформатору, питающему преобразователь с любой сложной схемой преобразования, осуществлять функцию делителя тока между преобразовательными секциями, обеспечить высокую нагрузочную способность агрегата, снизить потери от неравномерного деления тока. Наиболее часто встречающимся аварийным режимом короткого замыкания преобразовательного трансформатора в эксплуатации является короткое замыкание одной части ВО, развивающееся из «пробоя» вентиля преобразовательной секции. В этом случае аварийный ток короткого замыкания ограничивается сопротивлением частичного КЗ. Следовательно, величина напряжения частичного КЗ определяется необходимостью обеспечить электродинамическую стойкость трансформатора и необходимостью осуществить при пробое вентиля надёжную защиту преобразователя с помощью предохранителя, включенного последовательно с вентилем, либо другими защитными аппаратами.
И, наконец, последним видом напряжения короткого замыкания, к которому предъявляются нормированные требования, является напряжение КЗ расщепления, что объясняется двумя причинами. Первая из них обусловлена случаем, когда преобразователь питается от трансформатора, ВО которого расщеплена на несколько частей с разными схемами соединения, питающих преобразовательные секции, каждая из которых работает на свою нагрузку. Вторая — когда такие её преобразовательные секции запараллелены и работают на общую нагрузку. В первом случае независимая работа каждой преобразовательной секции от нагрузки любой другой может быть обеспечена при минимальном взаимном влиянии между частями ВО. Последнее приводит к требованию выполнения трансформатора с максимально возможными величинами индуктивных сопротивлений расщепления. Во втором случае, в агрегатах со сложными схемами преобразования (12-фазное и выше), когда преобразовательные секции за-параллелены на одну общую нагрузку, сопротивление расщепления играет роль ограничителя уравнительного тока между преобразовательными секциями. Этот уравнительный ток возникает из-за разности мгновенных значений выпрямленных напряжений преобразовательных секций, присоединенных частям вентильной обмотки, имеющим разные схемы соединения. Следует отметить, что в ограничении уравнительного тока между преобразовательными секциями кроме сопротивления расщепления участвует и сопротивление коммутации.
Таким образом, для ограничения уравнительного тока и уменьшения потерь от высших гармоник целесообразно увеличивать сопротивления расщепления и коммутации.

Читайте также:  Среднее напряжение трансформатора это

Внешняя характеристика преобразователя

Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока называют внешней характеристикой преобразователя, рис. 2. С увеличением тока нагрузки возрастают падения напряжения на элементах схемы и выпрямленное напряжение уменьшается. Падения напряжения делят условно на три составляющие: индуктивное падение напряжение

Рис. 2. Внешнее характеристики управляемого преобразователя.
В цепи коммутации AUX, активное падение напряжения AUn падение напряжения в вентилях выпрямителя AUe. Падение напряжения в вентилях считают не зависящим от тока нагрузки и принимают равными сумме падений напряжений всех последовательно включенных вентилей при протекании через них номинального тока.

Регулирование выпрямленного напряжения и стабилизация выпрямленного тока

Преобразователи, в зависимости от их назначения, работают в весьма разнообразных режимах. Во всех случаях, отклонение напряжения от номинального значения существенно влияет на технико-экономические показатели электрических установок. В условиях эксплуатации возникает необходимость поддерживать выпрямленное напряжение постоянным или меняющимся по определенному закону, а также стабилизировать в ряде случаев выпрямленный ток.

Источник

Добавьте защиту от короткого замыкания в ваш повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь – это DC-DC преобразователь, используемый для получения выходного напряжения, которое выше входного. Повышающие преобразователи также используются для управления светодиодами, включенными последовательно, в таких устройствах, как светодиодные фонари. Данные преобразователи обладают уязвимостью к короткому замыканию в цепи нагрузки. В данной статье обсуждается: почему повышающие преобразователи уязвимы к короткому замыканию, способы защиты повышающих преобразователей от короткого замыкания, и альтернативные преобразователи силовой электроники, которые не обладают данной уязвимостью, и которые могут быть использованы вместо повышающего преобразователя.

Введение в повышающие преобразователи

Как отмечалось ранее, повышающий преобразователь выдает выходное напряжение, которое выше входного. Примеры использования повышающих преобразователей включают в себя:

  • подача напряжения 5 В на порты зарядки для литиевых аккумуляторов;
  • подача напряжения на шины питания в смартфонах;
  • управление включенными последовательно светодиодами в светодиодных фонарях;
  • регулятор напряжения в проекте на основе Arduino;
  • создание высокого напряжения для запуска двигателя от одной ячейки литиевого аккумулятора.

На рисунке 1 изображена упрощенная схема повышающего преобразователя. Эта простая схема построена на конденсаторах, индуктивности, MOSFET транзисторе, и диоде. Выход управляется через петлю обратной связи (не показана для простоты) с помощью управления коэффициентом заполнения, долей времени, во время которого транзистор находится в открытом состоянии. Передаточная функция, или соотношение между выходным и входным напряжениями, составляет Uвых/Uвх = 1/(1-D), где Uвых – это выходное напряжение, Uвх – входное напряжение, D – коэффициент заполнения. В состав реального повышающего преобразователя входит микросхема ШИМ-контроллера, которая на рисунке 1 не показана.

Упрощенная схема повышающего преобразователя Рисунок 1 – Упрощенная схема повышающего преобразователя

Обратите внимание, что если выходной вывод повышающего преобразователя замкнуть накоротко на корпус, то входное напряжение тоже будет замкнуто на корпус через индуктивность и диод. Здесь нет никакого ограничения по току, который потечет в этом случае, и который будет ограничен лишь сопротивлением проводов и ограничением по току источника питания, подключенного к входу. Повышающий преобразователь выйдет из строя вместе с диодом, катушкой индуктивности, или произойдет возгорание, расплавление или какое-либо другое катастрофическое повреждение, если не будут предприняты меры для защиты повышающего преобразователя.

Читайте также:  Как подобрать стабилизатор напряжения для бытовой техники

Общая стратегия защиты

Общая стратегия защиты, изложенная в данной статье, заключается во включении коммутатора между источником питания и повышающим преобразователем, который будет использоваться для отключения повышающего преобразователя от источника питания в случае короткого замыкания цепи нагрузки. Этот коммутатор может быть реализован на MOSFET транзисторе, на коммутаторе нагрузки, на микросхеме повышающего преобразователя с встроенным коммутатором защиты, или на предохранителе.

Защита с MOSFET транзистором

MOSFET транзистор, добавленный перед повышающим преобразователем, может использоваться для отключения от него источника питания. Посмотрите на упрощенные схемы на рисунках 2 и 3. MOSFET транзистор может потребовать дополнительной схемы для смещения затвора. MOSFET транзистор с каналом n-типа требует, чтобы напряжение на его затворе было выше напряжения на его истоке. Это может потребовать микросхему драйвера затвора или накачку заряда. MOSFET транзистор с каналом p-типа требует, чтобы напряжение на затворе было ниже напряжения на его истоке. Если входное напряжение достаточно велико, затвор MOSFET транзистора с каналом p-типа может быть подтянут к корпусу, чтобы открыть транзистор. По этой причине использование MOSFET транзистора с каналом p-типа может быть проще и легче. Обратите внимание, что на обеих схемах диод на обозначении MOSFET транзистора направлен от повышающего преобразователя к источнику питания, поэтому ток будет заблокирован, пока транзистор не откроется.

При выборе MOSFET транзистора для данного использования необходимо учитывать максимально допустимое напряжение затвор-исток ( VGS ), сопротивление сток-исток открытого канала ( RDS ), пороговое напряжение включения транзистора ( VGS(th) ). Максимально допустимое напряжение сток-исток должно быть на несколько вольт выше максимального входного напряжения. Сопротивление открытого канала сток-исток должно быть достаточно низким, чтобы не создавать больших потерь P=I 2 R . Пороговое напряжение включения транзистора должно быть достаточно низким, чтобы MOSFET транзистор мог легко открываться и закрываться.

Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом n-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания Рисунок 2 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом n-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом p-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания Рисунок 3 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с MOSFET транзистором с каналом p-типа между источником питания и входом повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания

Защита с коммутатором нагрузки

Коммутатор нагрузки – это мощный MOSFET транзистор с дополнительной микросхемой. Дополнительные функции могут включать в себя накачку заряда и переключение уровня для смещения затвора MOSFET транзистора, также функции защиты от перегрузки по току, которые выключают коммутатор при очень больших токах. Использование коммутатора нагрузки имеет следующие преимущества перед использованием MOSFET транзистора:

  • уменьшается количество используемых компонентов;
  • уменьшается размер печатной платы;
  • уменьшается сложность конструкции, так как вам не нужно добавлять дополнительную схему управления.

Упрощенная схема повышающего преобразователя с коммутатором нагрузки на входе для защиты от короткого замыкания Рисунок 4 – Упрощенная схема повышающего преобразователя с коммутатором нагрузки на входе для защиты от короткого замыкания

Контроллеры повышающих преобразователей со встроенной защитой

Реальные повышающие преобразователи управляются микросхемой, которая регулирует преобразование напряжения. Некоторые из этих микросхем контроллеров повышающих преобразователей уже имеют встроенные механизмы защиты, такие как коммутация нагрузки. Использование контроллера со встроенной защитой упрощает конструкцию, уменьшает количество используемых компонентов и уменьшает размер печатной платы. В качестве примера микросхем повышающих преобразователей, в которые включены функции защиты, можно привести LM4510 и TPS61080 от Texas Instruments.

Упрощенный пример использования микросхемы повышающего преобразователя со встроенной защитой Рисунок 5 – Упрощенный пример использования микросхемы повышающего преобразователя со встроенной защитой

Защита с предохранителем

Предохранитель может быть размещен на входе или на выходе повышающего преобразователя для защиты от короткого замыкания в цепи нагрузки. Смотрите рисунок 6 в качестве примера.

Защита с помощью предохранителей на входе повышающего преобразователяЗащита с помощью предохранителей на выходе повышающего преобразователя Рисунок 6 – Защита с помощью предохранителей на входе или выходе повышающего преобразователя. Обратите внимание, что защитные цепи на коммутаторе нагрузки и MOSFET транзисторе также могут быть размещены между выходом преобразователя и нагрузкой, как изображена защитная цепь на предохранителе.

Автор рекомендует использовать другие подходы, описанные в данной статье, так как конструкция с предохранителем доставляет больше неудобств. Если произойдет короткое замыкание, предохранитель сгорит и потребуется его замена. Схемы, построенные на дополнительных защитных MOSFET транзисторах, коммутаторах нагрузки или интегрированной защите, не требуют замены каких-либо компонентов, если конвертеры работают правильно. Эти технические решения сохранят конечному пользователю время и деньги, необходимые для замены сгоревшего предохранителя. Кроме того, предохранители не срабатывают так быстро, как можно было бы ожидать, прочитав документацию. Это может привести к выходу из строя компонентов и проводников до того момента, когда сгорит предохранитель. Схемы, использующие MOSFET транзисторы, коммутаторы нагрузки и микросхемы со встроенной защитой, могут отключить нагрузку за микросекунды или быстрее, обеспечивая дополнительную безопасность и надежность для схемы. Тем не менее, решение с предохранителем может быть простым и дешевым для реализации.

Заключение

Повышающие преобразователи используются везде, но страдают от уязвимости к коротким замыканиям в цепи нагрузки. Данная статья обсуждает несколько подходов к устранению этой уязвимости, включая использование MOSFET транзисторов, коммутаторов нагрузки, микросхем со встроенной защитой и предохранителей для отключения повышающего преобразователя в случае короткого замыкания в цепи нагрузки.

Источник