11/18/2012. Způsoby jištění VPM. Způsoby jištění VPM obsah prezentace. Proudová přetížitelnost VPM. Konstrukce polovodičových měničů

Transkript

1 Způsoby jištění VPM Konstrukce polovodičových měničů Způsoby jištění VPM obsah prezentace Proudová přetížitelnost proudová přetížitelnost diod a tyristorů proudová přetížitelnost tranzistorů Jištění diod a tyristorů Jištění tranzistorů Proudová přetížitelnost VPM Proudovou přetížitelností se obecně rozumí schopnost snášet po určitou dobu proud větší než je proud jmenovitý. Největší přetížitelnost mají diody a tyristory Nejmenší IGBT a MOSFET 1

2 Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Mezní hodnota nárazového proudu I TSM I TSM, I FSM - amplituda jednorázového impulsu proudu půlsinusového tvaru o šířce t. I T(OV) permissible overload on-state current maximální přípustný propustný proud Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Přetěžovací integrál (Joleův integrál) I 2 t Součástka vydrží libovolný průběh proudu i v, pokud nepřekročí jeho výše uvedený integrál mezní hodnotu. Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Přetěžovací integrál (Joleův integrál) I 2 t 2

3 Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Fyzikální opodstatnění přetěžovacího integrálu I 2 t Při krátkodobých přetíženích je propustným ztrátovým výkonem p fw nabíjena především tepelná kapacita čipu. Jen nepatrná část ztrátového výkonu je odvedena přes tepelný odpor R thjc. Potom lze uvažovat: Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Fyzikální opodstatnění přetěžovacího integrálu I 2 t Uvažujme, přetěžovací proudy dostatečně velké Potom můžeme první dva členy zanedbat Poslední dva členy vedou na výsledek: => přetížení lze udávat formou mezního přetěžovacího integrálu I 2 t, kdy při dodržení jeho hodnoty teplota při přetížení nevzroste nad maximální teplotu čipu. Proudová přetížitelnost tranzistorů Tranzistory se při nadměrném proudovém přetížení dostávají mimo oblast saturace. Oproti diodám a tyristorům, dochází u tranzistorů při přetížení k značnému nárůstu diferenciálního odporu => značný nárůst ztrátového výkonu i při malém přetížení => oteplení čipu. Z toho důvodu je přetížitelnost tranzistorů oproti diodám a tyristorům velmi malá. Při dimenzování vycházíme z katalogových charakteristik P TOT = f(t C ), I C = f(t C ), I C = f(u CE ) 3

4 Proudová přetížitelnost tranzistorů Proudová přetížitelnost tranzistorů Zdroj a průběh zkratového proudu Zdrojem zkratového proudu je zejména napájecí síť (nadřazená soustava), po určitou dobu jím ale také mohou být připojené asynchronní a synchronní stroje (alternátory, motory, kompenzátory). 4

5 Zdroj a průběh zkratového proudu Obecný průběh zkratového proudu se skládá ze dvou hlavních složek stejnosměrné, která se časem zmenšuje, a souměrné střídavé, která kmitá okolo stejnosměrné složky. Počáteční velikost stejnosměrné složky zaleží na okamžiku vzniku zkratu. Největší hodnotu bude mít tato složka, vznikneli zkrat v okamžiku, kdy napětí prochází nulou. V tomto případě dosáhne zkratový proud své největší vrcholové hodnoty i p. Zdroj a průběh zkratového proudu Průběh zkratového proudu elektricky blízkého zkratu I k ustálený zkratový proud I k " počáteční souměrný rázový zkratový proud i p nárazový zkratový proud A počáteční hodnota stejnosměrné složky zkratového proudu. Ochrana před účinky zkratových proudů Zkratové proudy namáhají vedení (zařízení) především tepelnými a silovými účinky. Průchodem zkratového proudu vedením (zařízením) v důsledku vzniklých ztrát ve vedení intenzivně roste teplota vedení. Aby nedošlo k poškození izolace vedení, musí být zkratový proud odpojen jisticím přístrojem dříve, než teplota vedení (zařízení, prvku, ) přesáhne maximální dovolenou hodnotu (kabely s PVC izolací max. 160 C). Při řešení se uvažuje, že jde o natolik krátkodobý děj, že se žádné teplo vzniklé ve vodiči v důsledku ztrát nestačí převést do okolí (adiabatický děj). 5

6 Volba jistících přístrojů Aby jisticí přístroje mohly spolehlivě plnit svoji ochrannou funkci, musí předně samy bez problémů zvládnout vypnutí zkratového proudu. Aby tomu tak bylo, musí jejich parametry být v souladu s odpovídajícími parametry charakterizujícími zkratové proudy. Základní jisticí přístroje: jističe pojistky Jističe Jističe 6

7 Pojistky válcové pojistky Pojistky nožové a šroubovací Pojistkové spodky 7

8 Pojistkové odpojovače Výměna nožových pojistek Pomocí pojistkového odpojovače nebo přímým vytažením žehličkou z pojistkového spodku. ODPOJUJEME POUZE NEZATÍŽENÝ OBVOD!!! Přístroje pro jištění diod a tyristorů proti nadproudu Rychlé pojistky Rychlovypínače Rychlozkratovače 8

9 Přístroj, který přetavením určených součástí (tavných vložek) přeruší obvod ve kterém je zapojen, pokud proud pojistkou přesáhne po stanovenou dobu stanovené hodnoty. Pro jištění VPS jsou vyráběny rychlé pojistky, které omezí vznikající zkratový proud, tak, že nedojde k přehřátí VPS a následně k jejímu zničení. Základní funkce pojistky Vypínací funkce - přerušení obvodu v důsledku přetavení drátku popř. pásku umístěného v tavné vložce obsahující zhášelo - křemičitý písek. K přetavení dochází teplem vznikajícím při průchodu proudu. Omezovací funkce - omezení zkratového proudu v obvodu za pojistkou (v důsledku rychlého působení v 1. půlperiodě zkratového proudu) Hlavní parametry pojistek I n jmenovitý proud RMS hodnota proudu, kterou za určitých podmínek vydrží pojistka bez porušení. U n - jmenovité napětí AC napětí (50Hz) nebo DC vyhlazené napětí pro které je pojistka určena. I 2 t Jouleův integrál charakterizuje energii, kterou pojistka před svým přetavením a zhasnutím oblouku propustí chráněnou součástí. t v (I p ) tavná ampérsekundová charakteristika závislost doby vypnutí (přetavení) na předpokládaném zkratovém proudu. I c (I p ) omezovací charakteristika závislost špičkového proudu dosaženého při vypnutí předpokládaného zkratového proudu I p pojistkou. 9

10 Tavná charakteristika pojistky PV22 Gg40a - t v (I p ) t v =0,5 s I p =200 A Omezující charakteristika pojistky PV22 gg40a - I c (I p ) I NEomez =20 ka I omez =2 500 A I p =7 ka Energetická charakteristika pojistky PV22 gg40a I 2 t=9,5 ka 2 s I p =6000A 10

11 Rozdělení podle charakteristiky vypínání V praxi se pojistky rozdělují také na tzv. rychlé (značeno F) a pomalé (značeno T, někteří výrobci ještě na keramický obal tisknou symbol šneka) gl/gg jsou pojistky, které jistí v celém proudovém rozsahu proti přetížení i proti zkratu. Používají se pro jištění vedení. Tyto pojistky jsou osazeny na přívodním kabelu k domu. am pojistky jistí proti zkratu, nejístí proti přetížení. Užívají se pro jištění motorů, kde určité přetížení vysokými rozběhovými proudy je přípustné. gr pro jištění polovodičů gr/gs pro jištění polovodičových prvků a kabelů před přetížením a zkratem gr pro jištění polovodičových prvků před přetížením a zkratem ar pro jištění polovodičových prvků pouze před zkratem gtr pro jištění transformátorů gf1 pro jištění kabelů Řez rychlou pojistkou a držák (přívod) b kovová čepička c keramická trubice d stříbrný perforovaný pásek e výplň z křemičitého písku g nýtované spojení Pojistky pro jištění polovodičů 11

12 Pojistky pro jištění polovodičů tavná charakteristika omezující charakteristika Pojistky pro jištění polovodičů Pojistky pro jištění polovodičů 12

13 Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů A, B, C, D - varianty umístění pojistek HJ hlavní jistič RK rychlozkratovač RV - rychlovypínač Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů A na primární straně transformátoru pro usměrňovače malého výkonu pro jediné jištění celého zařízení. mi se jistí tyristory proti vnitřním i vnějším zkratům a současně se jistí i přívod proti poruše transformátoru. Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů B na střídavé straně můstku pro usměrňovače malého výkonu a to u usměrňovačů dodávaných bez transformátoru nebo s vysokým napětím primáru. mi se jistí tyristory proti vnitřním i vnějším zkratům případně i proti přetížení. 13

14 Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů C ve větvích tyristorů z hlediska jištění tyristorů nejdokonalejší. Při paralelním řazení VPS se pojistky vkládají do každé větve. Při jištění vnitřního zkratu se odpojí pouze větev z proraženým tyristorem možný provoz s určitým omezením. Při vnějším zkratu dochází k přetavení všech pojistek nevýhodné u paralelního řazení doplnění o rychlozkratovače RZ a rychlovypínače RV. Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů D jištění proti proudovému přetížení ze strany zátěže. I 2 t pojistky může být větší než I 2 t VPS. Postup při volbě pojistky 1. Volba umístění pojistky 2. Určení a výběr z katalogu 1. maximální možné RMS hodnoty proudu jištěnou součástkou (I TM ) 2. jmenovitého proudu pojistky (I n ) 3. jmenovitého napětí pojistky (U) 3. Kontrola vypínacího přepětí musí být menší než je maximální opakovatelné závěrné (V RRM ) a blokovací napětí (V DRM ) jištěných součástek. 4. Kontrola: I 2 t (pojistky) < I 2 t (VPS) 5. Při jištění proti přetížení kontrola, zda pojistka vypíná dříve, než proud součástkou dosáhne maximální RMS hodnoty přetěžovacího proudu (I TSM ) 14

15 Jištění IGBT a MOSFET proti zkratům jištění IGBT a MOSFET tranzistorů se neprovádí tavnými pojistkami I 2 t (pojistka) >>> I 2 t (tranzistor) vypínání zkratů budicí obvody tranzistorů doba vypnutí zkratu do 10 µs vypínání přetížení monitorování proudu měniče a teploty chladiče vypnutí pulsů příkazem z mikroprocesorové jednotky Reference Vondrášek, F.: Výkonová elektronika svazek 6, Projektování výkonových polovodičových měničů vybrané stati, ZČU Plzeň 2008 Application Guide Fuses for Protection of Semiconductors, ETI Elektroelement d.d., Obrezija 5, SI Izlake, Slovenija, Mlčák, T.: Elektrické přístroje, Katedra elektrotechniky, VŠB-TU Ostrava, 2008 Koordinace jisticích přístrojů nn Selektivita a kaskádování, Schneider Electric, Patočka, M.: Vybrané stati z výkonové elektroniky. Svazek I Tepelné jevy, činný výkon. Skripta. VUT Brno ISBN děkuji za pozornost Konstrukce polovodičových měničů 15