7. Защита преобразователя от сверхтоков и перенапряжений

Ввиду чувствительности полупроводниковых приборов к перегрузкам, коротким замыканиям и перенапряжениям для обеспечения надежной работы преобразователей к системам защиты предъявляются следующие основные требования [1]:

– максимальное быстродействие в целях ограничения аварийных токов по длительности и амплитуде значениями, определяемыми перегрузочной способностью полупроводниковых приборов;

– ограничение всех видов внешних и внутренних перенапряжений допустимыми значениями;

– безотказность в работе при всех видах повреждений;

– отключение поврежденного участка без дополнительной нагрузки на оставшиеся в работе полупроводниковые приборы и недопустимого перенапряжения на них;

– возможность применения автоматического повторного включения.

7.1. Защита преобразователя от сверхтока

Основные элементы защиты от сверхтоков и токов короткого замыкания могут быть разделены на две основные группы.

Первая группа включает в себя те устройства, которые обеспечивают защиту преобразователя посредством прерывания или предотвращения протекания аварийного тока.

Вторая группа включает в себя те элементы преобразователя, за счет сопротивления которых ограничивается величина и скорость нарастания аварийного тока.

К элементам первой группы относятся:

– быстродействующие системы электронной защиты, которые отключают весь преобразователь от источника питания;

– встроенные в транзисторы элементы защиты от сверхтоков (интеллектуальные модули);

– автоматические выключатели и плавкие предохранители, отключающие преобразователь от источника питания.

К элементам второй группы относятся:

– дроссели цепи постоянного тока;

– внутреннее сопротивление промежуточного трансформатора;

– внутреннее сопротивление источника питания.

При выборе элементов защиты следует учитывать, что автоматические выключатели и плавкие предохранители реагируют на действующее значение тока. Полупроводниковый прибор реагирует в основном на нагрев, который пропорционален значению тока, промежуточному между действующим и средним значениями.

В зависимости от необходимой степени сложности защиты и от сложности силовой схемы преобразователя возможно включение нескольких перечисленных выше устройств защиты. Действие этих устройств должно быть согласовано с характеристиками полупроводниковых приборов и друг с другом с тем, чтобы обеспечить выполнение перечисленных выше требований к защите. Срабатывание защиты должно происходить прежде, чем произойдет повреждение полупроводникового прибора.

Следует сразу отметить, что время срабатывания автоматических выключателей и плавких предохранителей существенно больше, чем время допустимой перегрузки полупроводникового вентиля по току, поэтому эти устройства защиты самостоятельно не могут обеспечить должную защиту полупроводникового вентиля от сверхтока. Однако в совокупности с электронными системами защиты автоматические выключатели и плавкие предохранители находят самое широкое применение в системах защиты полупроводниковых преобразователей. Примером такого решения являются устройства защиты с использованием короткозамыкателя, применяемого для защиты цепей постоянного тока [1].

Защита от сверхтоков с помощью плавких предохранителей

Для защиты полупроводниковых преобразователей находят применение плавкие предохранители, устанавливаемые в цепях как переменного, так и постоянного тока [11]. При этом предохранитель должен срабатывать в режиме включения и выключения преобразователя, обеспечивать бесперебойную работу в нормальном стационарном режиме и надежно срабатывать, защищая элементы преобразователей в аварийном режиме. К плавким предохранителям предъявляют следующие требования:

-согласование характеристик предохранителя с характеристиками защищаемых элементов;

-неизменность характеристик предохранителя во времени и минимальные потери мощности при протекании номинального тока;

-наличие эффективного токоограничения;

-высокая отключающая способность предохранителя;

-минимальное напряжение дуги во время срабатывания предохранителя, не превышающее напряжения пробоя неповрежденных вентилей;

-минимальные весовые и габаритные показатели.

Для надежной защиты полупроводниковых вентилей от выхода из строя при перегрузке по току необходимо, чтобы полный интеграл отключения предохранителя W_п должен быть меньше защитного показателя вентиля W_в.

Для защиты диодов и тиристоров выпускаются быстродействующие предохранители на рабочие токи 10 А (тип 10FC), 16 А (тип 16FC) и 20 А (тип 20FC) (рабочее напряжение постоянного тока 660В) и на токи 35 А (тип 35FC), 40 А (тип 40FC), 63 А (тип 63FC) и 80 А (тип 80FC) (рабочее напряжение постоянного тока 450 В).

Приведем справочные данные на несколько типов плавких предохранителей (табл. 9–11).

Таблица 9

Предохранители АВЕ быстродействующие

Наименование	Номинальный ток IN, А	Интеграл отключения, I2•t, A2•c
АВE.500	0,5	0,075
АВE 001	1,0	1,500
АВE 002	2,0	8,0
АВE 003	3,0	13,5
АВE 004	4,0	24,0
АВE 005	5,0	37,5
АВE 008	8,0	160,0
АВE 010	10	300,0
АВE 012	12	576,0
АВE 015	15	1125,0
АВE 018	18	1620,0
АВE 020	20	2400,0
АВE 025	25	3750,0
АВE 030	30	5400,0

D=6,3 мм, L=32 мм, корпус керамический, рабочее напряжение 250 В.

Таблица 9′

Время срабатывания предохранителей АВЕ на токи от 50 мA до 35 А в зависимости от величины протекающего тока.

Значение тока Iраб N.,	1,5IN tmin	2,1 IN tmax	4 IN tmax	10 IN tmax
Время срабатывания	60 мин	20 c	0,5 c	0,1

Таблица 10

Параметры самовосстанавливающихся предохранителей

Наименование	Максимльный ток, не изменяющий характе-ристик, А	Минимальный ток, приво-дящий к скачку сопротивления, А	Максимльное время сраба-тывания, с	Максимльное допустимоенапря-жение, В	Максимльное допустимый. ток, А	Минимальное начальное сопротивле-ние, Ом	Размеры, мм
MF-R090	0,90	1,80	7,2	60	40	0,14	d=11,7
MF-R250	2,50	5,00	10,3	30	40	0,025	12,0х12,0
MF-R300	3,00	6,00	10,8	30	40	0,02	12,0х12,0
MF-R400	4,00	8,00	12,7	30	40	0,01	14,2 х14,2
MF-R500	5,00	10,00	14,5	30	40	0,01	17,4 х17,4
MF-R600	6,00	12,00	16,0	30	40	0,005	19,3х19,3
MF-R700	7,00	14,00	17,5	30	40	0,005	22,1 х22,1
MF-R800	8,00	16,00	18,8	30	40	0,005	24,2 х24,2
MF-R900	9,00	18,00	20,0	30	40	0,005	24,2 х24,2
									Макс. сраба- время тыв. с	Макс.допустим. напря-жен., В	Макс.допустим. ток, А	Мин. нач. сопро-тивле-ние, Ом	Размеры, мм

Самовосстанавливающиеся предохранители (multifuse) – компоненты, предназначенные для защиты электронных и полупроводниковых устройств от перегрузки по току или от перегрева. Принцип их работы основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием проходящего тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои первоначальные свойства после устранения этих причин. Диапазон рабочих температур от -40 до +85 ^оС.

Таблица 11

Параметры термопредохранителей

Наименование	Температура срабатывания, оС	Максимальная температура, не приводящая к срабатыванию, оС	Максимальный допустимый рабочий ток, А	Длина, мм	Ширина (диаметр), мм
TZK-10	102	70	0,5	7,5	1,8
TZK-11	115	95	0,5	7,5	1,8
TZK-12	130	100	0,5	7,5	1,8
TZK-13	133	100	0,5	7,5	1,8
TZK-14	150	120	0,5	7,5	1,8
TZK-16	169	130	0,5	7,5	1,8
TZK-18	187	160	0,5	7,5	1,8
TZV-076	76	50	2,0	12	3,0
TZV-086	86	60	2,0	12	3,0

Термопредохранители предназначены для защиты дорогостоящих компонентов и оборудования, таких как трансформаторы, силовые транзисторы, от повреждения при перегреве выше допустимой рабочей температуры. В нормальном состоянии термопредохранитель имеет нулевое сопротивление, а при нагреве термопредохранителя (от защищаемого компонента) до температуры срабатывания разрушается внутренняя термочувствительная перемычка, размыкая цепь, в которую включен термопредохранитель. Термопредохранители, как и плавкие предохранители, – это компоненты одноразового действия. После срабатывания необходимо устранить причину срабатывания предохранителя и заменить термопредохранитель.

Вопросы для самоконтроля

1. Сформулируйте основные требования, которые предъявляются к предохранителям.

2. В чем заключаются основные различия самовосстанавливающихся предохранителей от традиционных плавких предохранителей?

3. Укажите области применения термопредохранителей.

Электронная защита от сверхтоков

Принципиальная электрическая схема защиты преобразователя от сверхтоков с помощью короткозамыкателя показана на рис. 56. Рассмотрим принцип работы этого устройства защиты [1]. Входной ток преобразователя I_вх, протекая по сопротивлению R_ш, создает падение напряжения ∆U_ш= I_вхR_ш. На диоде VD от тока утечки транзистора VT имеется падение напряжения ∆U_в.пр, которое в данной схеме выполняет функцию опорного напряжения. Разность этих двух напряжений поступает на базу- эмиттер транзистора VT. Величина сопротивления R_ш выбирается такой, чтобы при величине входного тока I_вх≤ I_вх.доп падение напряжения ∆U_ш было бы меньше, чем ∆U_в.пр. На вход транзистора VT поступает запирающее напряжение, и транзистор VT закрыт. При I_вх ≥I_вх.доп падение напряжения ∆U_ш становится больше падения напряжения ∆U_в.пр. Транзистор VT открывается, на управляющий электрод тиристора VS поступает положительный потенциал источника питания, тиристор открывается. Источник питания оказывается закороченным на тиристор VS, ток, протекающий через тиристор, резко возрастает, что приводит к срабатыванию плавкого предохранителя F1. Преобразователь отключается от источника питания. Заметим, что в момент открытия тиристора VS напряжение на входе преобразователя становится равным нулю и входной ток преобразователя также становится равным нулю. Из принципа работы этого устройства защиты следует, что срабатывание защиты происходит от мгновенного значения входного тока, что обеспечивает высокое быстродействие и надежность.

В качестве шунта следует применять провода из высокоомных сплавов, например из манганина или константана. Шунты из этих сплавов имеют высокое удельное электрическое сопротивление, что важно для уменьшения массы и размеров шунта, малый температурный коэффициент удельного сопротивления, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления при изменении температуры и хорошую технологичность, позволяющую изготавливать компактные шунты в виде спирали.

В табл. 40 приведены значения сопротивления манганиновой проволоки длиной 1 м при различных значениях ее диаметра.

Рис. 56. Схема электронной защиты

Пример расчета защиты от сверхтока с помощью короткозамыкателя

Выполним расчет защиты с помощью короткозамыкателя для однотактного обратноходового преобразователя, параметры которого приведены в подразд. 6.2.

Среднее значение входного тока преобразователя I_вх.ср= 30,52 А.

Амплитудное значение входного тока преобразователя I_{вх m}=50,87А.

Допустимое значение тока стока транзистора I_{cт m}= 200 А.

Входное напряжение преобразователя 12 В±30℅.

Зададимся амплитудным значением тока срабатывания защиты I_{m ср}.

I_{m ср}=1,2I_{вх m}=1,2•50,87=6 А.

Расчет сопротивление шунта

R_ш=R₁₃=∆U_в.пр/ I_вх.ср.

Выбираем диод VD4 (см. табл. 20).

Тип диода – SF12.

Параметры диода:

I_{в.ср N}=1 А;

∆U_в.пр=0,95 В; U_{в.обр.max}=100 В.

Сопротивления шунта R_ш =R₁₃=1/61=0,016 Ом.

Шунт изготавливаем из высокоомного манганинового провода (см. табл. 40).

Примем плотность тока провода шунта равной 6 А/мм².

Необходимое сечение провода определим, разделив значение тока, протекающего через шунт на плотность тока:

q= I_вх.ср /j=30,52/6=5,1 мм².

По справочным данным табл. 40 выбираем провод диаметром d =2,5 мм.

Сечение провода q=πd²/4=4,9 мм². Сопротивление 1метра длины этого провода равно 0,1 Ом.

Нетрудно рассчитать, что для того, чтобы шунт обладал бы сопротивлением равным 0,016 Ом необходимо 0,016/0,1=0,16 м длины этого провода. Скрутим этот провод в виде спирали диаметром 1 см. Шунт будет содержать 5 витков.

Выбираем транзистор VT2 по справочным данным табл. 26.

Тип транзистора – КТ704, параметры которого:

I_{к N}=2,5 А;

I_к.и=4,0 А;

U_{кэ N}=600 В;

h_21Э=10– 100.

Сопротивление резистора R₁₄, шунтирующего цепь управляющий переход – катод тиристора VS1, выбираем равным 20 Ом.

Выбираем тиристор VS1 по справочным данным, приведенным в табл. 28.

Тип тиристора – ТЧ100-3,

паспортные данные которого:

среднее значение тока в открытом состоянии 100 А;

ударный ток в открытом состоянии I_уд=3100 А;

допустимое повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 300 В;

время включения – не более 5мкс.

В цепь постоянного тока установим предохранитель типа UAF на рабочий ток I_N=35 А (см. табл. 9)

Время срабатывания t_ср при токе, равном 10I_N=10•35А, составляет от 0,1с.

Интеграл плавления предохранителя W_п =350²•t_ср=12250А²с.

Определим допустимый интеграл перегрузки тиристора ТЧ100-3:

W_т=I²_удt_п=3100²•0,01=96100А²c.

Допустимое время перегрузки тиристора ударным током принято равным 0,01 с.

Поскольку W_п< W_т, (12 250<96 100), то при прохождении сверхтока по цепи постоянного тока раньше сработает предохранитель, а тиристор защиты останется в работоспособном состоянии.