11/18/2012
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
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
1
11/18/2012
Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Mezní hodnota nárazového proudu ITSM
ITSM, IFSM - amplituda jednorázového půlsinusového tvaru o šířce t.
impulsu
proudu
IT(OV) – permissible overload on-state current – maximální přípustný propustný proud
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Přetěžovací integrál (Joleův integrál) I2t
Součástka vydrží libovolný průběh proudu iv, pokud nepřekročí jeho výše uvedený integrál mezní hodnotu.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Přetěžovací integrál (Joleův integrál) I2t
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
2
11/18/2012
Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Fyzikální opodstatnění přetěžovacího integrálu I2t
Při krátkodobých přetíženích je propustným ztrátovým výkonem pfw nabíjena především tepelná kapacita čipu. Jen nepatrná část ztrátového výkonu je odvedena přes tepelný odpor Rthjc. Potom lze uvažovat:
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Proudová přetížitelnost diod a tyristorů Fyzikální opodstatnění přetěžovacího integrálu I2t
Uvažujme, přetěžovací proudy dostatečně velké
Potom můžeme první dva členy zanedbat
Poslední dva členy vedou na výsledek:
=> přetížení lze udávat formou mezního přetěžovacího integrálu I2t, kdy při dodržení jeho hodnoty teplota při přetížení nevzroste nad maximální teplotu čipu. KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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 PTOT = f(TC), IC = f(TC), IC = f(UCE) KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
3
11/18/2012
Proudová přetížitelnost tranzistorů
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Proudová přetížitelnost tranzistorů
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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).
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
4
11/18/2012
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 ip.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Zdroj a průběh zkratového proudu Průběh zkratového proudu elektricky blízkého zkratu
Ik – ustálený zkratový proud Ik" – počáteční souměrný rázový zkratový proud ip – nárazový zkratový proud A – počáteční hodnota stejnosměrné složky zkratového proudu. KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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). KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
5
11/18/2012
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
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Jističe
KPM 2012/2013
Jističe
KPM 2012/2013
6
11/18/2012
Pojistky válcové pojistky
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistky nožové a šroubovací
KPM 2012/2013
Pojistkové spodky
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
7
11/18/2012
Pojistkové odpojovače
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Výměna nožových pojistek • Pomocí pojistkového odpojovače nebo přímým vytažením „žehličkou“ z pojistkového spodku. • ODPOJUJEME POUZE NEZATÍŽENÝ OBVOD!!!
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Přístroje pro jištění diod a tyristorů proti nadproudu
Rychlé pojistky
Rychlovypínače
Rychlozkratovače
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
8
11/18/2012
Pojistka 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.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka 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) KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Hlavní parametry pojistek
In – jmenovitý proud – RMS hodnota proudu, kterou za určitých podmínek vydrží pojistka bez porušení. Un - jmenovité napětí – AC napětí (50Hz) nebo DC vyhlazené napětí pro které je pojistka určena. I2t – Jouleův integrál – charakterizuje „energii“, kterou pojistka před svým přetavením a zhasnutím oblouku propustí chráněnou součástí. tv(Ip) – tavná ampérsekundová charakteristika – závislost doby vypnutí (přetavení) na předpokládaném zkratovém proudu. Ic(Ip) – omezovací charakteristika – závislost špičkového proudu dosaženého při vypnutí předpokládaného zkratového proudu Ip pojistkou. KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
9
11/18/2012
Pojistka Tavná charakteristika pojistky PV22 Gg40a - tv(Ip)
tv=0,5 s
Ip=200 A KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Omezující charakteristika pojistky PV22 gG40A - Ic(Ip)
INEomez=20 kA
Iomez=2 500 A
Ip=7 kA
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Energetická charakteristika pojistky PV22 gG40A
I2t=9,5 kA2s
Ip=6000A
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
10
11/18/2012
Pojistka 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 KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Řez rychlou pojistkou
a – držák (přívod) b – kovová čepička c – keramická trubice d – stříbrný perforovaný pásek e – výplň z křemičitého písku g – nýtované spojení KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Pojistky pro jištění polovodičů
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
11
11/18/2012
Pojistka Pojistky pro jištění polovodičů
tavná charakteristika
KPM 2012/2013
omezující charakteristika
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Pojistky pro jištění polovodičů
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Pojistka Pojistky pro jištění polovodičů
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
12
11/18/2012
Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů
A, B, C, D - varianty umístění pojistek HJ – hlavní jistič RK – rychlozkratovač RV - rychlovypínač
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů
A – na primární straně transformátoru – pro usměrňovače malého výkonu pro jediné jištění celého zařízení. Pojistkami se jistí tyristory proti vnitřním i vnějším zkratům a současně se jistí i přívod proti poruše transformátoru.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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. Pojistkami se jistí tyristory proti vnitřním i vnějším zkratům případně i proti přetížení.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
13
11/18/2012
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. KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Umístění pojistek a dalších jistících přístrojů
D – jištění proti proudovému přetížení ze strany zátěže. I2t pojistky může být větší než I2t VPS.
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
Postup při volbě pojistky 1. Volba umístění pojistky 2. Určení a výběr z katalogu 1. maximální možné RMS hodnoty proudu jištěnou součástkou (ITM) 2. jmenovitého proudu pojistky (In) 3. jmenovitého napětí pojistky (U)
3. Kontrola vypínacího přepětí – musí být menší než je maximální opakovatelné závěrné (VRRM) a blokovací napětí (VDRM) jištěných součástek. 4. Kontrola: I2t (pojistky) < I2t (VPS) 5. Při jištění proti přetížení – kontrola, zda pojistka vypíná dříve, než proud součástkou dosáhne maximální RMS hodnoty přetěžovacího proudu (ITSM) KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
14
11/18/2012
Jištění IGBT a MOSFET proti zkratům •
•
jištění IGBT a MOSFET tranzistorů se neprovádí tavnými pojistkami I2t (pojistka) >>> I2t (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
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
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 - 1411 Izlake, Slovenija, http://www.eti-de.de/ Mlčák, T.: Elektrické přístroje, Katedra elektrotechniky, VŠB-TU Ostrava, 2008 Koordinace jisticích přístrojů nn – Selektivita a kaskádování, Schneider Electric, www.schneider-electric.cz/documents/ Patočka, M.: Vybrané stati z výkonové elektroniky. Svazek I – Tepelné jevy, činný výkon. Skripta. VUT Brno 2000. ISBN 80-214-1736-6
KPM 2012/2013
Způsoby jištění VPM
Petr Vaculík
děkuji za pozornost
Konstrukce polovodičových měničů
15
