Продумуємо захист перетворювача частоти - Автоматика, Челябінськ, офіційний сайт дилера Delta

Факти виходу з ладу частотних перетворювачів при короткому замиканні вихідних ланцюгів і за наявності функції захисту від короткого замикання в частотному перетворювачі викликають безліч суперечок щодо факту працездатності захисту, так і щодо додаткових зовнішніх пристроїв, що допомагають захистити частотник. При керуванні електродвигуномперетворювач частоти вимірює струм у двох або трьох вихідних фазах (достатньо, щоб діагностувати надструм у третій, але не дозволяє виявити обрив фази), і при перевищенні струму над встановленим номінальним значенням виконує дії по захист електроприводу. Якщо йдеться про надток, не пов'язаний з КЗ (не різко збільшилося навантаження на двигуні), може відпрацювати активний захист, який знижує струм шляхом зменшення частоти і напруги, що подається на двигун. Якщо активний захист не застосовується, то відпрацьовуєвідключає захист першого рівня (робота подібна до термічного розчіплювача, зворотна квадратична залежність від струму за часом при струмах до 1,8-2 крат). Якщо струм досягає значень 1,8-2 крата від номінального, відпрацьовуємаксимально-струмовий захист, який відключає IGBT модулі (за час не більше 10 мкс), розриваючи ланцюг струму через двигун.

Захисні функції, що є в перетворювачі, ефективно функціонують у різних аварійних ситуаціях, в тому числі і при коротких замиканнях в ланцюгах навантаження (у силовому кабелі або в електродвигуні), АЛЕ вихід з ладу ПЧ все ж таки можливий за деяких умов протікання струму (наприклад, при КЗ). Струми перевантажень при замикання, а також швидкість наростання струму можуть досягати значень, при яких існує небезпека виходу з ладу перетворювача частоти. IGBT-транзистори, як і діоди випрямляча перетворювача частоти, за своєю природою маютьобмеження по надтоках (зазвичай 6 разів протягом 10мкс), що виникають при короткому замиканні, а також поздатності до теплового нагрівання I^2t.Перший випадок - коли господарі частотника саміобманюють захист. При частому виникненні перевантаження струму (підклинивающий механізм), захист не дає скинути помилку і блокує пуск перетворювача частоти, поки не визначить по тепловій моделі умови для пуску ПЧ. Відключивши живлення захист скидає накопичену інформацію і введена в оману дозволяє пуск ПЧ. Надток, що знову повторився, викликає руйнуючий нагрівання IGBT-транзисторів і вихід з ладу ПЧ.Другий випадок -коротке замикання - найгірша ситуація для ПЧ. Швидкість наростання струму при короткому замиканні виходу, в першому наближенні, визначається індуктивністю петлі короткого замикання (паразитною індуктивністю шин або проводів до точки замикання) і напругою живлення вихідних IGBT-модулів, а кінцевий струм сумарним опором ланцюга КЗ, буде перехідний опір контактів комутаційних апаратів. U = 540 В – напруга на ланці постійного струму, L = 0,2 мкГн – паразитна індуктивність петлі короткого замикання. Швидкість наростання за даних параметрів становить 2500 А/мкс. Таким чином, швидкість наростання струму при короткому замиканні виходу перетворювача дуже велика: за час, менше однієї мікросекунди, струм досягає значення, що перевищує номінальне в кілька разів. Знаходження IGBT-транзистора при такому струмі, найімовірніше, призведе до його руйнування навіть при справному захисті від короткого замикання, час спрацьовування якого значно більший.тривалості процесу наростання струму – приблизно 10 мкс. Залежно від моменту виникнення можна класифікувати два типи короткого замикання, що відрізняються, відповідно, особливостями протікання струму і ступенем струмового навантаження IGBT-транзистора: 1) IGBT-транзистор включається (відкривається) на наявне коротке замикання в навантаженні. 2) Коротке замикання на виході перетворювача відбувається після того, як IGBT-транзистор вже включений. стабілізується: струм далі не зростає, транзистор входить у режим самообмеження. Для того, щоб не відбулося теплового руйнування транзистора, тривалість струму короткого замикання повинна бути обмежена і для більшості IGBT-модулів вона не повинна перевищувати 10 мкс. При граничних режимах роботи IGBT-транзистора допустима кількість коротких замикань становить близько 10 разів.

У другому випадку струм колектора різко збільшується за частки мікросекунди. Процес наростання струму у цій фазі некерований. Струм транзистора зростає до дуже високого рівня Iscmax, і перебування IGBT-транзистора при такому струмі може призвести до теплового перегріву та виходу його з ладу за час менше 1 мкс, тобто. ще до початку дії функції захисту, тривалість спрацьовування якої становить 10 мкс. Великий вплив на зростання струму КЗ розподілена індуктивність кабелю (для потужності 30 кВт і довжини 50 м = 0,24 мкГн/м) залученого в петлю струму КЗ. Швидкість струму складе 20 А/мкс, за час 10 мкс струм зросте на 200 А. Навіть якщо до моменту короткого замикання поточний струм IGBT-транзистора дорівнював номінальному, тобто 150 А, то досягнення струмузначення 150 А + 200 А = 350 А не становить небезпеки для транзистора (кратність струму протягом 10 мкс дорівнює 6).

Таким чином у першому випадку вихід з ладу можливий у разі повторних включень, так як при обліку кабелю захист все ж таки встигає відключити IGBT-транзистор від струму КЗ, хоча і скорочує ресурс модуля, а в другому випадку вихід з ладу можливий навіть за першої появи КЗ.

Основним методів боротьби з таким швидким наростанням струму служить установка моторного дроселя. Індуктивність навіть найпростішогоdU/dt дроселя становить 0,12 мГн, що призводить до зростання струму 2,3 А/мкс при обліку кабелю довжиною 10м. За час 10 мкс при швидкості наростання 2,2 А/мкс струм IGBT транзистора зросте приблизно на 23А, що цілком безпечно для IGBT-модуля. Багатовиробників частотних перетворювачів пропонують використовувати для захисту ПЧ швидкодіючі запобіжники (OEZ, BUSSMAN)або автоматичні вимикачі з характеристикою "В" (3-5 крат максимальнострумовий захист) електронного або термомагнітного розчіплювача. Захисні апарати для ПЧ вирішують, в основному, два завдання:запобігання руйнуванню, плавленню і, що вкрай небезпечно, займанню ізоляції підвідної та приладової електропроводки при надтоках, які можуть виникнути при внутрішніх коротких замиканнях, а також , наскільки можна, обмеження струмових навантажень у вхідних ланцюгах напівпровідникових приладів ПЧ (випрямні мости). Як було прораховано вище,ефективність роботи вбудованого захисту набагато вище ефективності пропонованих пристроїв для відключення IGBT-транзисторів для запобігання вигоранню IGBT-модуля, плюс наявність великої ємності на ланці постійного струму частково виключає з петлі КЗ "мережа" ", що позначається відставанням наростанняструму в ланцюзі живлення ПЧ від моменту наростання струму в IGBT-модулі. Залишається лише захист від виникнення пожежі та надструмів у некерованій частині ПЧ (яким може стати і ланцюг IGBT модулів при тепловому пробої "на коротку"). Виникають питання, - наскільки захисний апарат оберігає випрямний міст від виходу з ладу? Що краще – плавкий запобіжник чи автоматичний вимикач? Характеристики спрацьовування електроапаратів, пропонованих виробниками ПЧ як захисні засоби ПЧ, - швидкодіючих плавких запобіжників Bussman JJS та стандартних автоматичних вимикачів з характеристикою «В» комбінованого розчіплювача, наприклад, фірми ABB говорять про рівнозначність захисту. Якщо за критерій відбору струм спрацьовування електроапарата для часу спрацьовування 0,01 сек. (тривалість напівперіоду напруги живлення частотою 50 Гц), то, практично, плавкі швидкодіючі запобіжники і автоматичні вимикачі з характеристикою «В» рівнозначні. При виборі апарату захисту слід врахувати те що, що у апараті реалізована захист I^2t, слід номінальний струм апарату вибирати трохи більше, ніж номінальний вхідний струм ПЧ. Це зумовлено нелінійним (нерівномірним) споживанням струму з мережі перетворювачем частоти, що виявляється помилковим спрацьовуванням захисту за рахунок проскакування імпульсів струму, більшого ніж номінальний, який захист інтегрує як струм навантаження. Максимальнострумовий захист апаратів найчастіше справляється з імпульсом зарядки конденсаторів ланки постійного струму, а I^2t захист апарату вище або дорівнює власному I^2t захисту ПЧ, що теж не призведе до неприємного сюрпризу. Струм КЗ через мережу живлення обумовлений індуктивністю і опором самої мережі, таким чином для випадківпідключення ПЧ до трансформаторомпотужністю вище 1000 КВА виробником рекомендується встановлення мережевого дроселя для запобігання ситуації невідключення КЗ апаратом захисту (струм вище Icu максимального струму відключення апарата нижче запланованого струму КЗ).За фактом застосування більш ефективних засобів захисту по входу сприяє збереженню не тільки мережі живлення, а й плат частотного перетворювача при КЗ на виході, що виллється тільки в заміну силових модулів, а не повною заміною перетворювача частоти.