Zabezpieczenia urządzeń energoelektronicznych Drukuj Email
niedziela, 07 października 2012 06:57

14.3 Zabezpieczenia urządzeń energoelektronicznych

      Urządzenia energoelektroniczne powinni być wyposażone w skuteczne urządzenia ochronne, zabezpieczające podzespoły i elementy składowe wyposażenia przekształtnika przed przeciążeniami, przepięciami i zbyt dużymi stromościami narastania prądu oraz napięcia. Pojawiające się w układzie energoelektronicznym przepięcia i zwarcia oraz związane z nimi przetężenia prądowe stanowią zagrożenie dla struktur tych przyrządów. Układy energoelektroniczne wyposażone w przyrządy półprzewodnikowe mocy wymagają szeregu różnego rodzaju zabezpieczeń. Wśród tych zabezpieczeń wyróżnia się układy:
      - ograniczenia prądu,
      - kontroli prądu ziemnozwarciowego,
      - kontroli zaniku napięcia w jednej fazie,
      - wyłączania przekształtnika przy przetężeniu.


      Ochronę układu energoelektronicznego przed wymienionymi zagrożeniami stanowią dodatkowe urządzenia zabezpieczające, których zadaniem jest: ograniczenie amplitudy napięcia do dopuszczalnej wartości oraz ograniczenie prądów w stanach awaryjnych, do wartości nie powodującej uszkodzenia elementów. Dobór zabezpieczeń przetężeniowych przepięciowych przyrządów półprzewodnikowych mocy wymaga znajomości ich parametrów oraz charakterystyk napięciowo - prądowych i przeciążeniowych.

      Obwody zasilające układy energoelektroniczne i przyrządy energoelektroniczne mocy zabezpiecza się przede wszystkim przed:
      - przeciążeniami i zwarciami,
      - przepięciami,
      - nadmierną stromością narastania prądu przewodzenia,
      - nadmierną stromością narastania napięcia blokowania,
      - skutkami cieplnymi,
      - elektrycznością statyczną.

      3.1 Zabezpieczenia przekształtników przed przeciążeniami i zwarciami
      Zabezpieczenia przeciążeniowe w przekształtnikach powinny spełniać dwa podstawowe warunki:
      - chronić podstawowe elementy składowe obwodu głównego przekształtnika,
      - chronić układ przekształtnika przed możliwością wystąpienia pożaru.


      Ochronę przed pożarem stanowi umieszczony na wejściu przekształtnika wyłącznik zawierający wyzwalacze termiczne i zwarciowe, albo bezpieczniki umieszczone w fazach linii zasilającej. Zwykle te zabezpieczenia są wystarczające do ochrony elementów energetycznych przed uszkodzeniem.

      Wyjątek stanowią półprzewodnikowe przyrządy mocy, które są szczególnie wrażliwe na przetężenia i wymagają dodatkowych zabezpieczeń. Konstrukcja urządzeń przekształtnikowych powoduje, że obwód zwarciowy, rozpatrywany przy ocenie skuteczności ochrony przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim), jest odmienny w stosunku do obwodów z odbiornikami liniowymi. Odmienność ta przejawia się niemożnością wyznaczenia jednoznacznej wartości impedancji pętli zwarcia, a także występowaniem silnie odkształconych prądów zwarciowych.

      W prostownikach diodowych dużej mocy nie stosuje się w zasadzie dodatkowych zabezpieczeń zwarciowych. Przy zastosowaniu półprzewodnikowych wyłączalnych przyrządów mocy (tyrystory GTO, tranzystory IGBT) wprowadza się aktywne metody ochrony polegające na wykorzystaniu zdolności tych przyrządów do samo ograniczania obciążeń prądowych w wyniku odpowiedniego ich wysterowania.

      W prostownikach i przekształtnikach sterowanych fazowo stosuje się dodatkowe zabezpieczenia diod i tyrystorów przed przetężeniami, umieszczając w gałęziach przekształtnika bezpieczniki o działaniu szybkim.

      Półprzewodnikowe przyrządy mocy pracujące w układach energoelektronicznych wymagają ochrony przed skutkami krótkotrwałych przetężeń zwarciowych występujących w stanach awaryjnych. Wynika to z małej pojemności cieplnej i niskiej dopuszczalnej temperatury struktury półprzewodnikowej tych przyrządów.

      Do określenia dopuszczalnej przeciążalności prądowej i doboru właściwej ochrony zwarciowej, służą wartości maksymalnej odporności przeciążeniowej przyrządów półprzewodnikowych podane przez producentów. Przekroczenia dopuszczalnej wartości skutecznej prądu przeciążenia przy określonych czasie jego przepływu może spowodować uszkodzenie przyrządów półprzewodnikowych, na skutek przegrzania i zniszczenia struktury krzemowej.

      Zabezpieczenia przetężeniowe stosowane do ochrony przyrządów półprzewodnikowych powinny spełniać następujące wymagania:
      - dla zwarć zewnętrznych urządzenie ochronne powinno samoczynnie wyłączyć zespół przekształtnikowy
        nie dopuszczając do uszkodzenia przyrządów,
      - dla zwarć wewnętrznych urządzenie ochronne powinno selektywnie wyłączyć uszkodzone elementy układu,
        czas działania zabezpieczeń powinien być krótszy od dopuszczalnego czasu trwania przeciążenia
        wynikającego z charakterystyki przeciążeniowej przyrządu,
      - przepięcia występujące podczas wyłączania prądu przeciążeniowego powinny być mniejsze od maksymalnych
        dopuszczalnych napięć ustalonych przyrządów półprzewodnikowych.
      - impuls energii wydzielonej podczas zwarcia w przyrządzie powinien być mniejszy od impulsu dopuszczalnego
        dla tego typu przyrządu,
      - przy równoległym łączenia przyrządów należy zmniejszyć dopuszczalną obciążalność tych elementów.


      Do zabezpieczenia przyrządów półprzewodnikowych przed przeciążeniami trwającymi dłużej niż kilkadziesiąt milisekund stosuje się najczęściej wyłączniki wyposażone w wyzwalacze termiczne, czujniki termistorowe oraz zabezpieczenia elektroniczne, które po przekroczeniu dopuszczalnej temperatury przyrządu wyłączają układ.

      Dobór zabezpieczeń przed przeciążeniami trwającymi krócej niż 10 ms jest zazwyczaj utrudniony. Przeciążenia przyrządów występujące w tak krótkim czasie odpowiadają w zasadzie stanowi awaryjnemu o niekontrolowanym narastaniu prądu. Przebieg prądu i = f(t) w przedziale czasu 1 - 10 ms zależy w znacznym stopniu od właściwości obwodu zwarcia i przebiegu prądu zwarciowego. W tym przedziale czasu właściwości cieplne przyrządu półprzewodnikowego charakteryzuje się za pomocą parametru przeciążeniowego I2t.

      Wybór parametru przeciążeniowego umożliwia bezpośrednie określenie strat energii, które mogą wystąpić w strukturze półprzewodnikowej pod wpływem narastającego prądu zwarciowego. Można dobrać bezpiecznik (szeregowo włączony z przyrządem półprzewodnikowym) przerywający obwód zwarcia zanim będzie przekroczona dopuszczalna wartość parametru przeciążeniowego przyrządu.

      W przypadku bezpiecznika obwiązuje cieplne kryterium jego zadziałania (niezadziałania)
      - skutek cieplny prądu (I2t), nazywany też całką Joule’a.


      Zabezpieczania diod i tyrystorów

      Do ochrony diod i tyrystorów przed skutkami zwarcia stosuje się bezpieczniki topikowe o charakterystyce odpowiednio dobranej do właściwości przyrządów półprzewodnikowych - są to bezpieczniki o działaniu szybkim. Bezpieczniki dla diod i tyrystorów (rys. 3.1) ograniczają w znacznym stopniu nie tylko prąd, lecz i parametr I2t, charakteryzujący dopuszczalny impuls prądu. Wartość tego parametru powinna być mniejsza niż wartość analogicznego parametru określającego odporność diody lub tyrystora na wzrost temperatury wskutek działania prądu zwarcia.

Rys. 3.1 Rozmieszczenie zabezpieczeń nadprądowych i przepięciowych
w zespole prostownikowym zasilającym układ napędowy

Oznaczenia: L1,L2,L3,PE - zasilanie z instalacji TN, F1 - bezpieczniki główne obwodu, F2 - bezpieczniki instalacyjne,
F3 - bezpieczniki o działaniu szybkim, S1 - wyłącznik szybki, Oz - odgromniki zaworowe, Tr - transformator prostownikowy,
C1R1 - ochrona przed przepięciami łączeniowymi, C2R2 - ochrona przed przepięciami komutacyjnymi

      Do zabezpieczania przyrządów półprzewodnikowych przed skutkami zwarć jest również stosowana blokada bramkowa, która eliminuje impulsy w układzie regulacji przekształtnika podczas zwarcia.


      Zabezpieczenia tranzystorów

      Zasadniczym wymaganiem środka ochrony przy uszkodzeniu (przy dotyku pośrednim) poprzez samoczynne wyłączenie zasilania, jest konieczność wyłączenia zakłócenia (zwarcia części czynnej z częścią przewodzącą dostępną) powodującego pojawienie się na częściach przewodzących dostępnych napięcia dotykowego przekraczającego wartość dopuszczalną w określonym czasie. Wartość tego czasu zależna jest od wartości napięcia zasilającego, układu sieciowego i warunków środowiskowych mogących zwiększyć zagrożenie porażeniowe.

      Ze względu na właściwości tranzystorów, bezpieczniki topikowe nie nadają się do zabezpieczania tych przyrządów przed skutkami zwarć. W tych przypadkach stosuje się aktywną ochronę zwarciową, która polega na szybkim wyłączeniu, za pośrednictwem obwodu bramkowego tranzystorów IGBT i MOSFET, po stwierdzeniu przeciążenia.


      Samoczynne wyłączenie zasilania przez urządzenia nadprądowe

      Przy doborze zabezpieczeń nadprądowych przekształtnika częstotliwości w szczególnie należy:
      - dobrać znamionową wartość prądu wyłącznika instalacyjnego do skutecznej wartości odkształconego
        przebiegu prądu zasilania przy znamionowym obciążeniu przekształtnika.
      - dobrać wartość zadziałania wyzwalacza elektromagnetycznego wyłącznika instalacyjnego do prądu
        ładowania pojemności w obwodzie pośredniczącym przekształtnika, bezpośrednio po załączeniu napięcia.


      Jeżeli przekształtnik ma zabezpieczenie przęteżeniowe i ziemnozwarciowe, to zabezpieczenia stosowane w obwodzie zasilającym powinny chronić głównie instalację przed skutkami termicznymi zwarć i przed pożarem. Zabezpieczenia te powinny działać w każdym przypadku nie zadziałania zabezpieczeń znajdujących się w przekształtniku. Jeżeli producent układu energoelektronicznego nie zastosuje zabezpieczeń przęteżeniowych i ziemnozwarciowych, to obwód zasilający należy wyposażyć w zabezpieczenia służące ochronie zarówno linii zasilającej, jak i przekształtnika przed przetężeniami i prądami zwarć doziemnych (do masy). A zatem zabezpieczenie zasilania układu energoelektronicznego powinno zawierać człon przetężeniowy i człon ziemnozwarciowy. Jeżeli na wyjściu prostownika (w obwodzie źródła prądu stałego pośredniczącego) jest stosowany filtr kondensatorowy, to zabezpieczenie nadprądowe musi wytrzymywać spodziewany prąd załączania jego baterii. W tym przypadku może zaistnieć potrzeba zwiększenia obciążalności prądowej zabezpieczenia nadprądowego. Do samoczynnego wyłączenie zasilania mogą być stosowane następujące urządzenia ochronne i do monitorowania:
      - wyłączniki nadprądowe wyposażone w człony zwarciowe lub/i przeciążeniowe,
      - urządzenia ochronne różnicowoprądowe (RCD)
      - urządzenia stałej kontroli stanu izolacji (IMD);
      - urządzenia monitorujące prąd różnicowy (RMC);
        systemy lokalizacji uszkodzenia izolacji.


      Odkształcenia przebiegów prądu zwarciowego wprowadzane przez przekształtniki wymuszają bardzo uważny dobór urządzeń ochronnych różnicowoprądowych oraz urządzeń do kontroli izolacji, które mogłyby pełnić rolę urządzeń ochronnych.

      Zwarcie części czynnej z częścią przewodzącą dostępną może powstać w różnych miejscach przekształtnika lub też w urządzeniach z niego zasilanych, w których napięcie części czynnej względem ziemi może znacznie odbiegać od napięcia zasilającego pod względem wartości, częstotliwości i kształtu.

      Instalacje zasilające przekształtniki i instalacje odbiorcze przekształtników chronione są najczęściej za pomocą samoczynnego wyłączenia zasilania lub poprzez stosowanie urządzeń II klasy ochronności.

      W przypadku powstania zwarcia pomiędzy przewodem liniowym a częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym w obwodzie, urządzenie ochronne powinno samoczynnie przerwać zasilanie przewodu liniowego lub urządzenia, w wymaganym czasie (patrz artykuł "środki ochrony dodatkowej" Tablica 41.1).

      Samoczynne wyłączenie zasilania jest najczęściej stosowanym środkiem ochrony przy uszkodzeniu w układach TN, TT i IT. Dla każdego z tych układów obwód prądu zwarciowego jest inny, dlatego stawiane są inne wymagania dotyczące czasu samoczynnego wyłączenia zasilania i uziemień przewodów ochronnych.


      Samoczynne wyłączenie zasilania przez urządzenia ochronne różnicowoprądowe (RCD)

      Z uwagi na czynniki zwiększające zagrożenie porażenia prądem elektrycznym w obwodach zasilających przekształtniki; na przykład zwiększony prąd upływu i kształt przebiegu prądów zwarciowych, mogący znacznie pogorszyć lub uniemożliwić działanie urządzeń różnicowoprądowych (RCD), norma PN-EN 50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy, nakłada na urządzenia energoelektroniczne oraz ich obwody zasilające następujące, dodatkowe wobec normy HD 60364 wymagania:
      - rozłączne połączenia przewodu ochronnego można stosować jedynie dla ochrony urządzeń o prądzie upływu
        nie większym niż 3,5 mA a.c. lub 10 mA d.c.;
      - jeżeli prąd upływu przekracza tę wartość, przewód ochronny należy dublować albo zapewnić samoczynną
        kontrolę ciągłości przewodu ochronnego, powodującą wyłączenie zasilania przy utracie ciągłości, lub też
        stosować transformatory w obwodzie zasilania urządzenia;
      - jeżeli konstrukcja urządzenia może spowodować przepływ ziemnozwarciowego prądu stałego wygładzonego,
        w instrukcji urządzenia lub na nim samym powinna być umieszczona informacja o stosowaniu urządzeń
        ochronnych różnicowoprądowych;
      - w przypadku jw., jeżeli ochronę ma stanowić urządzenie różnicowoprądowe, to może to być jedynie
        urządzenie klasy B, a zasilanie odbiornika energoelektronicznego nie może być prowadzone przez żadne
        urządzenie różnicowoprądowe klasy innej niż B (urządzenia różnicowoprądowe klas AC i A mogą zostać
        zablokowane przepływem prądu stałego wygładzonego).


      W celu zabezpieczenia się przed doziemieniem w obwodzie układu energoelektronicznego najkorzystniej jest stosować wyłączniki różnicowoprądowe typu B, które działają przy doziemieniu na prąd stały i przemienny o dowolnej częstotliwości. Wyłączniki te są jednak bardzo drogie i czasami warto przeanalizować celowość zastosowania do ochrony przeciwzwarciowej wyłączników nadprądowych, różnicowoprądowych typu A oraz wzmocnionego systemu połączeń ochronnych. Należy jednak pamiętać, że w przypadku doziemienia na wyjściu prostownika (w obwodzie prądu stałego) wyłączniki różnicowoprądowe typu A mogą nie zadziałać.

      Dobór wyłączników różnicowoprądowych zależy od prądu upływowego i pojemnościowego płynącego w przewodzie ochronnym PE. Prąd ten zależy głównie od: filtrów przewidzianych do eliminacji zakłóceń radioelektrycznych, pojemności i upływności tranzystorów IGBT, pojemności ekranu przewodu łączącego silnik z przekształtnikiem (w przypadku układów napędowych oraz pojemności uzwojeń silnika względem masy), a także od asymetrii trójfazowego napięcia zasilającego.

      Obszar objęty ochroną, a także wymagane cechy urządzenia ochronnego różnicowoprądowego zależą od jego umiejscowienia. Jeżeli urządzenie zostanie zainstalowane na wejściu przemiennika, strefa ochronna obejmie zarówno sam przemiennik, jak i zasilane z niego odbiory, jeżeli natomiast zainstalowane zostanie na wyjściu - chronione będą jedynie urządzenia odbiorcze.

      Urządzenie ochronne zainstalowane na wejściu do przekształtnika - powinno być tak dobrane, aby nie powodowało wyłączeń pod wpływem prądów upływowych zabezpieczanego obwodu. Z uwagi na wysoką wartość prądów upływu, dla tych zastosowań nadają się urządzenia ochronne o różnicowych prądach znamionowych nie mniejszych od 100 lub 300mA. Ponadto wyłącznik taki musi w sposób skuteczny reagować na prądy pojawiające się w dowolnym miejscu obwodu chronionego, a zatem na odkształcone prądy przemienne o zmieniającej się w szerokich granicach częstotliwości, oraz prądy wyprostowane o różnej zawartości tętnień.

      W przypadku układów napędowych prąd wyzwalania wyłączników różnicowoprądowych powinien się zawierać w granicach 100÷300 mA. Wyłączniki te chronią instalację przed pożarem przy doziemieniu. Wymagania takie spełniają jedynie wyłączniki typu B.

      Wyłącznik zainstalowany na wyjściu przekształtnika - powinien reagować na prądy różnicowe o częstotliwościach mieszczących się w zakresie regulacji przetwornicy. Dla UPS jest to stała wartość – 50 Hz natomiast dla falowników napędowych zakres ten najczęściej zawiera się w przedziale 0 Hz i 100 lub 500 Hz.

      Należałoby wobec tego zastosować wyłączniki typu B, które jako jedyne reagują na przepływ różnicowych prądów stałych. Jednak w większości rzeczywistych układów napędowych, ze względu na możliwości zastosowanych silników jak i potrzeby regulacyjne, programowo wybrany zakres regulacji jest znacznie mniejszy, i zawiera się w przedziale od kilkunastu do 50 Hz (w wyjątkowych wypadkach sięga on ok. 80 Hz). Dla takiego zakresu skuteczną ochronę można zapewnić przy zastosowaniu wyłączników typu A, kilkakrotnie tańszych od wyłączników typu B. Wyłączniki te mają jednak bardzo zróżnicowaną rzeczywistą charakterystykę częstotliwościową. Typowe badania odbiorcze lub eksploatacyjne wyłącznika powinny zostać uzupełnione funkcjonalnymi badaniami jego działania dla granicznych wartości częstotliwości roboczych.

      W przypadku większości falowników napędowych, udział wysokich częstotliwości taktowania w fazowym napięciu wyjściowym i w prądzie ziemnozwarciowym przy doziemieniu za falownikiem jest tym większy, im niższa jest bieżąca częstotliwość wyjściowa falownika.

      Korzystniej niż w przypadku wyłączników zainstalowanych na wejściu przekształtnika można dobrać prąd różnicowy urządzenia ochronnego, gdyż prąd upływowy zabezpieczanego obwodu jest w tym przypadku znacznie mniejszy. A zatem, w wielu przypadkach będzie możliwe zastosowanie wyłączników o prądzie różnicowym 30 mA, co nie jest niedopuszczalne w przypadku wyłączników zlokalizowanych na wejściu przemiennika. Przyjęcie takiego rozwiązania powoduje konieczność zastosowania odrębnego środka do ochrony samego przekształtnika.

      Samoczynne wyłączenie przez urządzenie do kontroli izolacji- ten środek ochrony stosowany jest do amoczynnego wyłączenia pierwszego doziemienia w sieci o układzie IT przez urządzenia do kontroli izolacji (izometry).Działanie urządzeń tego typu, przeznaczone przede wszystkim dla liniowych sieci 50 Hz, oparte jest na stałonapięciowym sygnale pomiarowym w liniowych sieciach 50 Hz. Zastosowanie przemiennych sygnałów pomiarowych, w urządzeniach przeznaczonych dla sieci zasilających napędy przekształtnikowe, umożliwia zwiększenie czasu działania izometrów, tym samym usunięcie pierwszego doziemienia w czasie do kilkuset milisekund a nawet kilku sekund.

      Odbiorcze i eksploatacyjne badanie samoczynnego wyłączenia w tym wypadku sprowadza się do sprawdzenia samego izometru (pomiarze rezystancji wyzwalania) i kontroli ciągłości przewodów ochronnych wszystkich urządzeń zasilanych z sieci.

      3.2 Zabezpieczenia przekształtników przed przepięciami

      Przepięcia w układach energoelektronicznych pojawiają się podczas nagłego przejścia z jednego ustalonego stanu pracy do drugiego.

      W obwodach:
      - napięcia przemiennego - powodem przepięć są zwykle procesy łączeniowe, wyładowania atmosferyczne
        lub zakłócenia w pracy transformatora.
      - napięcia wyprostowanego - przepięcia powstają wskutek zjawisk łączeniowych i stanów zakłóceniowych
        w obwodach zasilanych przez przekształtnik.
      - przekształtnika - przepięcia są wywołane zjawiskami komutacji prądów anodowych, a ponadto występują
        przy przerywaniu prądu zwarciowego przez bezpieczniki o działaniu szybkim. Obwody tłumiące przepięcia
        w typowym zespole przekształtnikowym przedstawiono na rys. 3.1.


      Przepięcia pochodzenia atmosferycznego przemieszczają się od miejsca wyładowania do zacisków wejściowych transformatora prostownikowego w obwodach prądu przemiennego. Część z nich wytłumia się w linii zasilającej i uzwojeniu pierwotnym transformatora, część zaś przechodzi na stronę wtórną transformatora oraz na zaciski wejściowe prostownika. Klasyczną ochronę przed tego rodzaju przepięciami stanowią ograniczniki przepięć instalowane po pierwotnej stronie transformatora (rys. 3.1).

      Przepięcia o dużej wartości mogą wystąpić:
      - podczas odłączania zasilania po stronie pierwotnej transformatora przekształtnikowego w stanie jałowym
        (bez obciążenia).
      - podczas łączenia baterii kondensatorów, służącej do poprawy współczynnika mocy cos φ.

      Do tłumienia przepięć stosuje się filtry złożone z obwodów RC (rys. 3.1), ograniczające stromość narastania przepięcia oraz jego amplitudę. Stosowane zastępczo warystory tłumią przepięcia powyżej określonej amplitudy.

      Przepięcia komutacyjne, z reguły krótkotrwałe (ułamki milisekund), wynikają z fizycznych właściwości przyrządów półprzewodnikowych. Ochronę przed przepięciami komutacyjnymi stanowią obwody tłumiące RC przyłączone równolegle do zacisków diod lub tyrystorów (rys. 3.2).

Rys. 3.2 Sposób przyłączenia tłumika RC


      W przekształtnikach tranzystorowych i układach z tyrystorami wyłączalnymi GTO następuje zazwyczaj szybkie wyłączanie dużych prądów, co w konsekwencji powoduje powstawanie znacznych przepięć. Urządzenia energoelektroniczne zbudowane z przyrządów półprzewodnikowych w pełni sterowalnych, wyposaża się w obwody odciążające, których zadaniem jest minimalizacja łączeniowych strat mocy w podczas ich przełączania. Obwody odciążające można podzielić na trzy rodzaje:
      - obwody zmniejszające stromość narastania prądów pojawiających się podczas załączania przyrządu,
      - obwody ograniczające przepięcia pojawiające się w przyrządzie podczas jego wyłączania,
      - obwody kształtujące w taki sposób przebiegi napięć i prądów podczas przełączania przyrządów, aby ich
        wartości maksymalne nie pojawiały się jednocześnie.


      W praktyce stosuje się kombinacje wymienionych obwodów, zależnie od zastosowanego typu przyrządu półprzewodnikowego, przyjętej budowy i układu przekształtnikowego.

      Przyrządy półprzewodnikowe służą najczęściej do regulowania przepływu energii dostarczonej do odbiornika rezystancyjno-indukcyjnego. Na rys. 3.3 pokazano przykładowy schemat układu zasilania odbiornika RL bocznikowanego diodą rozładowczą Da , która przyjmuje przewodzenie prądu odbiornika po wyłączeniu tranzystora.

Rys. 3.3 Tranzystor bipolarny jako łącznik w układzie zasilania odbiornika RL
z diodą rozładowczą - układ podstawowy

      3.3 Zabezpieczenia tyrystorów przed nadmierną stromością narastania prądu przewodzenia

      Starsze typy tyrystorów stosowanych w urządzeniach energoelektronicznych wcześniej wytworzonych, wymagają zabezpieczenia przed dużą stromością narastania prądu przewodzenia podczas ich załączania.

      Podczas załączania tyrystora, w sąsiedztwie bramki tworzy się lokalny obszar narastania prądu; obszar ten stopniowo rozprzestrzenia się na całą powierzchnię półprzewodnika. Początkowo, nadmierna stromość narastania prądu powoduje chwilowe powstanie dużych strat mocy, co prowadzi do przegrzania struktury, a nawet jej uszkodzenia. Podwyższona częstotliwość przełączeń jest przy tym czynnikiem zwiększającym zagrożenie. Rozładowanie kondensatora, przyłączonego równolegle do głównych końcówek tyrystora, może również przebiegać przy nadmiernej stromości narastania prądu.

      Niebezpieczeństwo uszkodzenia tyrystorów wskutek dużej stromości narastania prądu przewodzenia podczas załączania można ograniczyć poprzez:
      - zastosowanie dławików połączonych szeregowo z tyrystorem,
      - zwiększenie szybkości przełączania (w wyniku zastosowania do załączania tyrystora impulsu bramki
        o większej stromości),
      - zmniejszenie wartości szczytowej prądu głównego w chwili załączania przyrządu,
      - powstrzymanie narastania prądu przewodzenia, do chwili przełączenia struktury w stan przewodzenia.


      W celu ograniczenia nadmiernej stromości prądu może okazać się niezbędne wprowadzenie dodatkowej indukcyjności w obwodzie głównym tyrystora GTO, zwłaszcza w układach pracujących przy zwiększonych częstotliwościach. W ten sposób uzyskuje się również zmniejszenie strat mocy, powstających podczas załączania tego przyrządu. Jednak indukcyjność w obwodzie głównym powoduje powstanie przepięć na tyrystorze GTO podczas jego wyłączania. Przepięcia te należy tłumić, np. przez przyłączenie diod obejściowych do zacisków dławika; jednocześnie uzyskuje się ograniczenie strat mocy podczas wyłączania tyrystora GTO. Obecnie, dzięki nowym technologiom jest możliwa produkcja tyrystorów odpornych na stromość narastania prądu o wartości około 1kA/μs.

      3.4 Zabezpieczenia tyrystorów przed nadmierną stromością narastania napięcia blokowania

      Załączanie tyrystorów (a zwłaszcza triaków) w sposób niekontrolowany może spowodować przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej stromości narastania napięcia blokowania, która dla tyrystorów przekracza 1 kV/μs, a dla triaków wynosi zaledwie ok. 200 V/μs. Nieprzewidziane załączenie przyrządu powoduje zakłócenia w pracy przekształtnika, a także może spowodować uszkodzenie samego tyrystora.

      Przed niekontrolowanym załączaniem tyrystorów na skutek nadmiernej stromości narastania napięcia blokowania zabezpiecza się:
      - dobierając przyrządy wykazujące odpowiednią dużą odporność na tę stromość,
      - modyfikując tak układ, aby doprowadzić do zmniejszenia stromości narastania napięcia blokowania,
        np. poprzez. równolegle przyłączenie do zacisków głównych tyrystora, obwód tłumiący RC.

      Włączenie kondensatora C bez szeregowo włączonego rezystora R grozi uszkodzeniem przyrządu na skutek udaru prądu, jaki wystąpi podczas wyładowania kondensatora przez tyrystor, w chwili jego załączenia za pośrednictwem impulsu bramkowego.

      Dzięki przyłączeniu diody bocznikującej rezystor obwodu tłumiącego RC (rys. 3.4) uzyskuje się ograniczenie początkowej stromości dodatniego napięcia anodowego, bez narażenia tyrystora na udar prądu rozładowania kondensatora. Aby uniknąć również zagrożenia wskutek impulsu przejściowego prądu wstecznego, który wystąpi przy skokowej zmianie polaryzacji diody z kierunku przewodzenia na kierunek wsteczny (w chwili załączenia tyrystora), w obwodzie tłumiącym RCD zaleca się stosowanie diody szybkiej o krótkim czasie odzyskiwania zdolności zaworowej.

Rys. 3.4 Tranzystor bipolarny jako łącznik w układzie zasilania odbiornika RL
z diodą rozładowczą - układ z obwodem odciążającym podczas wyłączania

      3.5. Zabezpieczenia cieplne

      Stosowane w układach energoelektronicznych przyrządy półprzewodnikowe mają określoną dopuszczalną temperaturę pracy. W celu nie dopuszczenia do przekroczenia temperatury dopuszczalnej w czasie pracy przyrządów, stosuje się chłodzenie wymuszone: powietrzne lub cieczowe. W czasie eksploatacji układów energoelektronicznych mogą wystąpić inne czynniki pogarszające odprowadzanie ciepła, np. osiadanie kurzu na powierzchni przyrządów półprzewodnikowych i powierzchni radiatorów oraz uszkodzenia wentylatorów wymuszających przepływ powietrza lub przerwy w dopływie cieczy chłodzącej. W takich warunkach temperatura przyrządów półprzewodnikowych może wzrosnąć ponad dopuszczalną wartość.

      Zastosowanie w układzie odpowiednich zabezpieczeń cieplnych (np. czujników termobimetalowych lub termistorowych) uniemożliwi powstanie wymienionych zagrożeń. Czujniki cieplne nastawia się na określoną temperaturę i umieszcza na obudowie przyrządu półprzewodnikowego lub w określonym punkcie radiatora. Gdy temperatura wzrośnie ponad wartość nastawioną, czujniki cieplne zasygnalizują istnienie zagrożenia i za pośrednictwem układu elektronicznego wyłączą zasilanie przyrządu.

      3.6 Ochrona elementów i układów elektronicznych przed elektrycznością statyczną

      Układy sterujące przekształtników są budowane często z podzespołów półprzewodnikowych o dużej skali integracji, odznaczających się znaczną wrażliwością na narażenia napięciowe. Większość uszkodzeń takich elementów wiąże się z działaniem elektryczności statycznej.

      Warstwy izolacyjne współczesnych przyrządów elektronicznych (np. w układach scalonych) mają, często grubość mniejszą niż 1 mikrometr. Ulegają one przebiciu pod wpływem niewielkich napięć, wywołanych na przykład elektrycznością statyczną. Ochrona przed ładunkami elektrostatycznymi powinna być skoncentrowana głównie na stworzeniu warunków do ich kontrolowanego i bezpiecznego rozładowania.

      Wymaga się, aby napięcie między wyprowadzeniami elementów, wywołane ładunkiem elektrostatycznym, zmniejszyło się w ciągu 0,1 s do wartości bezpiecznej wynoszącej 50 V. Dłuższe oddziaływanie wyższego napięcia na wrażliwe elementy elektroniczne może spowodować ich uszkodzenie.

      Istotnym dla skutecznej ochrony przed elektrycznością statyczną jest określenie obszaru bezpiecznego rozładowania ładunków elektrostatycznych, nie powodującego zniszczenia elementów. Należy przyjąć, że wolniejsze rozładowanie sprawia, że wysokie napięcie uszkadza warstwy izolacyjne, natomiast zbyt szybkie rozładowanie jest również niebezpieczne, gdyż towarzyszy mu przepływ impulsu prądu o znacznym natężeniu, powodującym również zniszczenie elementów.

      Działania ochronne należy prowadzić zarówno w trakcie całego procesu produkcyjnego, jak i podczas eksploatacji - począwszy od otrzymania podzespołów (np. do wymiany)., poprzez ich kontrolę, wewnętrzny transport i pakowanie, aż po dystrybucję. Na każdym z wymienionych etapów, elementy lub gotowe urządzenia mogą być narażone na działanie elektryczności statycznej, która grozi ich zniszczeniem lub pogorszeniem parametrów.

      3.7 Zabezpieczenia w układach napędowych

      Według ogólnych zasad, dobór układu napędowego polega na zestawieniu poszczególnych jego podzespołów, np. przekształtnika z układem sterowania regulacji i monitoringu, silnika, aparatury łączeniowej i zabezpieczającej, obudowy i właściwego oprzewodowania.

      Przekształtniki energoelektroniczne są powszechnie stosowane w obwodach silników elektrycznych jako rozruszniki, różnorodne procedury hamowania i zatrzymywania silników oraz jako regulatory prędkości obrotowej. Układy napędowe wyposaża się w przekształtniki dobrane w oparciu o wymagania norm: PN-EN 60146-1-1, PN-EN 61800-1 (dla układów prądu stałego, PN-EN 61800-2 (dla układów prądu przemiennego).

      Silniki powiązane z przekształtnikami podlegają ogólnym zasadom zabezpieczania głównych obwodów zasilających z uwzględnieniem dodatkowych narażeń wyposażenia układu napędowego w przetworniki, czujniki i mierniki układów przekształtnikowych.

      Układy energoelektroniczne powinny być wyposażone w systemy zabezpieczeń reagujących na zagrożenia spowodowane awarią układu lub niebezpieczne warunki pracy. Zabezpieczenia te powinny przede wszystkim zapewniać:
      - bezpieczną pracę człowieka,
      - eliminację znacznych szkód w układzie energoelektronicznym,
      - ochronę silnika zasilanego z przekształtnika,
      - ochronę mechanizmów maszyny roboczej zasilanej z energoelektronicznego układu napędowego.


      3.7.1 Zabezpieczenia stosowane w energoelektronicznym układzie napędowym prądu stałego

3.1 Przykład klasyfikacji zabezpieczeń w energoelektrycznym układzie napędowym prądu stałego

      W systemie zabezpieczeń układu napędowego prądu stałego rozróżnia cztery kategorie awarii: alarm, mała awaria 1, mała awaria 2, duża awaria. W zależności od kategorii awarii przewiduje się różny sposób wyłączania układu i likwidacji skutków awarii.

      Poszczególne awarie są wykrywane odpowiednimi czujnikami, a sygnały są przekazywane do układu sterowania, który dokonuje ich klasyfikacji i w odpowiednim czasie dokonuje wyłączenia układu oraz podaje informację o przyczynie wyłączenia.

      Podczas wyłączania awaryjnego powinna być zachowana odpowiednia kolejność wyłączania poszczególnych zespołów w celu zminimalizowania ewentualnych uszkodzeń spowodowanych koniecznością takiego wyłączenia. Kolejność załączania powinna być następująca:
      - załączenie regulatora,
      - załączenie wzbudzenia,
      - ustalenie parametrów regulatora,
      - załączenie przekształtnika,
      - łagodne wysterowanie przekształtnika i rozruch silnika.

      Podczas wyłączania powinna być zachowana kolejność odwrotna.


      Niezachowanie tej kolejności również w stanie awarii może powodować niezamierzone przetężenia, które mogą wywołać przykładowo dodatkowe uszkodzenia w układzie (np. przepalenie bezpiecznika topikowego).

      W przypadku małych awarii układ jest odłączany, z zachowaniem właściwej kolejności wyłączania, przez obsługę. W przypadku dużej awarii układ, w wyniku zadziałania zabezpieczeń, powinien zostać wyłączony natychmiast, bez względu na na ewentualne uszkodzenia spowodowane tym wyłączeniem.

      Obecnie w układach sterowanych za pomocą komputerów istotną sprawą jest odpowiednie monitorowanie przyczyn awarii. Monitoring awarii powinien umożliwiać zarówno lokalizację układu, w którym nastąpiła awaria, jak też wskazać przyczynę, która spowodowała wyłączenie określonego napędu. Dotyczy to zwłaszcza przemijających zaburzeń w sieci zasilającej powodujących zadziałanie zabezpieczeń.


      3.7.2 Zabezpieczenia stosowane w energoelektronicznym układzie napędowym prądu przemiennego

      Pośrednie przemienniki częstotliwości należą obecnie do najbardziej rozpowszechnionych układów przekształtnikowych stosowanych do zasilania odbiorników napięciem przemiennym o regulowanej amplitudzie i częstotliwości oraz do regulacji prędkości obrotowej silników.

      Sterowane częstotliwościowo napędy prądu przemiennego; są bardziej niezawodne od napędów prądu stałego i mogą być stosowane w różnych procesach procesach przemysłowych, a nawet w warunkach zapylenia i w atmosferze agresywnej.

      Wadą układów napędowych prądu stałego jest to, że pracują przy zmiennym i i niższym współczynniku mocy cosφ, natomiast w układach napędowych prądu przemiennego, wykorzystujących prostowniki niesterowane, jest zwiększony poziom wyższych harmonicznych w sieci zasilającej.

      W napędach ze sterowaniem częstotliwościowym silników klatkowych stosuje sie na ogół pośrednie przekształtniki częstotliwości z:
      - regulacją napięcia w obwodzie pośrednim prądu stałego i falownikiem napięcia,
      - regulacją napięcia w obwodzie pośrednim i falownikiem prądu,
      - nieregulowanym napięciem w obwodzie pośrednim (prostownikiem niesterowanym) i regulacją napięcia
        w falowniku napięcia z wykorzystaniem metody modulacji szerokości impulsów (PWM). Ten rodzaj
        przekształtnika częstotliwości jest obecnie najczęściej stosowany.


      Przekształtnik na ogół ma wbudowane zabezpieczenia obwodu wyjściowego przynajmniej przed skutkami zwarć międzyfazowych i doziemnych, Za poprawność rozwiązania ochron i zabezpieczeń wewnętrznych, wbudowanych w przekształtniku i wskazanie ochron i zabezpieczeń zewnętrznych, odpowiada producent.

      Przedstawiony na rysunku 3.5 pośredni przemiennik częstotliwości, składa się z:
      - obwodu zasilającego układ,
      - mostka prostowniczego ( diodowego lub tyrystorowego),
      - obwodu pośredniczącego prądu stałego,
      - falownika napięcia,
      - odbiornika (silnika).

Rys. 3.5 Pośredni przemiennik częstotliwości zasilający silnik
Oznaczenia: L1, L2, L3, PE - zasilanie z instalacji TN, Fg - bezpieczniki główne obwodu, rozłącznik, Ls -  filtr sieciowy,
prostownik diodowy trójfazowy; obwód pośredniczący prądu stałego składający się z dławika Lp i baterii kondensatorów Cp;
bezpiecznik Fp; falownik na tranzystorach IGBT z szybkimi diodami zwrotnymi, Swp - szyna wyrównawcza przekształtnika;
GSU - główna szyna uziemiająca; obwód wyjściowy silnika.

      Obwód zasilający układ - dobór elementów składowych obwodu zasilania pośredniego przemiennika częstotliwości powinien uwzględniać przede wszystkim prąd obciążenia pobieranego przez przekształtnik, Jeżeli w obwodzie zasilającym zainstalowany jest łącznik ( stycznik lub rozłącznik), to jego prąd znamionowy powinien być dobrany do prądu znamionowego przemiennika częstotliwości wraz z filtrami i obwodem wyjściowym, a zdolność załączania - do prądu załączeniowego przemiennika.

      Ważne jest także zapewnienie właściwej koordynacji łącznika (np. przekaźnika przeciążeniowego nadprądowego), z zabezpieczeniem zwarciowym po to, by sprawdzić czy są należycie dobezpieczone na wypadek zwarcia w obwodzie. Zabezpieczeniem zwarciowym na początku obwodu zasilającego są zwykle bezpieczniki, rozłącznik bezpiecznikowy albo rozłącznik z bezpiecznikami.

      Jeśli na wejściu do przemiennika nie ma indywidualnych bezpieczników przy zaworach mostka prostowniczego, to w obwodzie zasilającym instaluje się bezpieczniki o działaniu szybkim (aR lub gR).

      Filtr sieciowy (przeciwzakłóceniowy) - zainstalowany w obwodzie wejściowym  przemiennika składa się z szeregowych dławików sieciowych spełniających również rolę dławików komutacyjnych i równoległych kondensatorów Cs. Dławiki sieciowe zmniejszają współczynnik szczytu prądu (stosunek wartości szczytowej do wartości skutecznej) i odkształcenia prądu pobieranego z sieci oraz ograniczają komutacyjne piki prądu i komutacyjne załamania napięcia. Równoległe kondensatory Cs bocznikują prądy zakłóceniowe tym skuteczniej, im wyższa jest ich częstotliwość.

      Prąd upływowy odprowadzany przez filtr sieciowy do przewodu ochronnego jest jedną ze składowych prądu w przewodzie ochronnym (dla urządzeń I klasy ochronności), pozostałe składowe pochodzą z obwodu wyjściowego przemiennika. W niektórych pośrednich przemiennikach częstotliwości dużej mocy prąd upływowy samego przeciwzakłóceniowego filtru sieciowego przekracza 200 mA.

      Mostek prostowniczy - w pośrednich przemiennikach częstotliwości stosowane są mostki prostownicze, jedno lub trójfazowe, diodowy lub tyrystorowe. Z punktu widzenia zasilania falownika napięcia prostownik objawia się jako źródło napięcia o bardzo małej impedancji wewnętrznej.

      Zawory powinny mieć prąd graniczny dobrany do prądu załączeniowego przemiennika, o wartości zależnej od pojemności baterii kondensatorów Cp oraz indukcyjności dławika obwodu pośredniczącego.

      Użycie w prostowniku tyrystorów o sterowanym współczynniku przewodzenia albo wprowadzenie tranzystora IGBT jako przerywacza w obwodzie pośredniczącym pozwala dowolnie zmniejszyć prąd załączeniowy, podobnie jak w układach łagodnego rozruchu silników.

      W nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych przemienników, ze wzrostem niezawodności zaworów, odchodzi się od indywidualnego zabezpieczenia równoległych gałęzi zaworów - a coraz powszechniej poprzestaje się na jednym komplecie takich bezpieczników w obwodzie zasilania przemiennika.

      Obwód pośredniczący prądu stałego - składa się z baterii kondensatorów o dużej pojemności i dławika Lp. Dławik Lp w obwodzie pośredniczącym zmniejsza prąd załączeniowy przemiennika ograniczając narażenia prądowe zaworów prostownika, wygładza prąd w obwodzie pośredniczącym i poważnie zmniejsza odkształcenie prądu pobieranego z sieci.

      Falownik napięcia - pośredni przemiennik częstotliwości jest odbiornikiem nieliniowym, pobierającym prąd odkształcony i wywołującym komutacyjne załamania napięcia; odznacza się też dużym prądem załączeniowym związanym z ładowaniem baterii kondensatorów w obwodzie pośredniczącym.

      Zwarcia międzyfazowe i doziemne w obwodzie wyjściowym falownika zagrażają przede wszystkim wrażliwym na przeciążenia tranzystorom IGBT. Do środków ochrony przed zniszczeniem nie zalicza się bezpieczników o działaniu szybkim.

      Właściwym zabezpieczeniem tranzystorów IGBT są ultraszybkie układy elektroniczne odwracające polaryzację napięcia sterującego pojedynczych tranzystorów (blokada bramkowa). Sygnał bramkowy o przeciwnej polaryzacji wyłącza tranzystor w czasie 25 mikrosekund. Gdyby to zabezpieczenie zawiodło i doszło do uszkodzenia obu tranzystorów jednej gałęzi mostka, albo gdyby zostały one jednocześnie załączone w następstwie uszkodzenia układu sterowania, to powstałe zwarcie byłoby zasilane z kondensatora obwodu pośredniczącego i z instalacji obiektu.

      Jako zabezpieczenie stosuje się powszechnie zwiernik zwierający obwód prądu stałego w razie zwarcia w falowniku, które wykrywa przetwornik prądu w obwodzie pośredniczącym. Zwiernikiem jest zwykle tyrystor lub bezpiecznik o działaniu bardzo szybkim w obwodzie pośredniczącym (rys. 3.5). Jednak jego rolą nie jest zabezpieczenie tranzystorów przed skutkami zwarcia, ecz niedopuszczenie do rozerwania obudów modułów tranzystorowych i baterii kondensatorów Cp.

      Po wystąpieniu zwarcia doziemnego falownik wyłącza się w czasie nie przekraczającym ok. 100 ms, zależnym od impedancji przejścia i częstotliwości napięcia wyjściowego. Przemiennik na ogół ma też elektroniczny układ ograniczenia prądu wyjściowego.

      3.8 LITERATURA
      1. Musiał E.: Zabezpieczanie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Biul. SEP INPE
          „Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 59-60, s. 3-35.
      2. Czapp S. Czułość wyłączników różnicowoprądowych przy prądzie różnicowym przemiennym o częstotliwości
          innej niż 50Hz i przy prądzie różnicowym stałym INPE nr 96, wrzesień 2007 r. s. 5÷19.
      3. Klein H. Analiza przydatności urządzeń ochronnych różnicowoprądowych do ochrony układów napędowych
          zasilanych z przemienników częstotliwości. Warszawa – Międzylesie, Prace Instytutu Elektrotechniki,
          zeszyt 203/1999 r..
      4. Loska G., Klein H. Ocena skuteczności ochrony przeciwporażeniowej przy zasilaniu urządzeń elektrycznych
          z zasilaczy UPS X Konferencja Automatyzacji Procesów Przeróbki Kopalin; Szczyrk, VI 2004
      5. Marek, A. Marek B. Wpływ przekształtników na pracę centralnych zabezpieczeń upływowych w dołowych
          sieciach niskiego napięcia XII Krajowa Konferencja Elektryki Górniczej, Szczyrk, X 2008.
      6. Musiał E: Badanie stanu ochrony przeciwporażeniowej w obwodach urządzeń energoelektronicznych. INPE
          nr 80-81, maj-czerwiec 2006 r. s. 5÷36. Praca zbiorowa pod red. Juliana Wiatra: Poradnik projektanta
          elektryka systemów zasilania awaryjnego i gwarantowanego. Warszawa, Eaton Corporation 2008.
      8. Pytlak A., Świątek P.: Ochrona przeciwporażeniowa w układach energoelektronicznych COSIW SEP,
          Warszawa 2002.
      9. PN-EN 50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy.
    10. PN-HD 60364-4-41:2009 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 4-41: Ochrona dla zapewnienia
          bezpieczeństwa – Ochrona przed porażeniem elektrycznym.
    11. PN-HD 60364-6:2008 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 6: Sprawdzenie
    12. PN-IEC 60364-4-41:2000 Instalacje elektryczne niskiego napięcia Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa
          – Ochrona przeciwporażeniowa. przewody połączeń wyrównawczych

Poprawiony: sobota, 10 listopada 2012 07:14