Быстродействующие предохранители Bussmann

Скачать вёрстку статьи в формате PDF >>

 

Новые полупроводниковые приборы, такие как быстродействующие диоды и транзисторы, IGBT-модули, запираемые тиристоры (GTO), твёрдотельные реле, получают всё большее распространение в силовых устройствах.  Их преимуществом является возможность управлять большой мощностью при малых размерах и долговечность при работе в номинальных режимах. Но при этом возможность выдерживать перегрузки и перенапряжения у них гораздо меньше, чем у электромеханических устройств. В  силовой цепи в случае короткого замыкания,  сверхтоки могут достигать десятков и даже сотен тысяч ампер. Полупроводниковые же приборы могут выдерживать импульсы токов только в несколько тысяч ампер. Поэтому необходимо решать проблему защиты как самих полупроводниковых приборов, так и аппаратуры в целом.

Требования к защите  можно выразить следующими тремя основными критериями:

  • Безопасно прерывать возможные сверхтоки за очень короткое время
  • Ограничивать ток, протекающий через устройство
  • Ограничивать тепловую энергию (I2t), пропускаемую к устройству во время отключения цепи

 Сверхбыстрое прерывание больших токов в цепях с индуктивностью создаёт высокое перенапряжение. При этом, даже такие простые и надежные устройства, как  диодный мост, могут выйти из строя. Поэтому желательно, чтобы защитное устройство обеспечивало защиту от перенапряжения во время прерывания неисправности. Также желательно,  чтобы идеальное защитное устройство обладало следующими свойствами:

  • не требовало техобслуживания
  • имело срок службы не меньше срока службы аппаратуры
  • не срабатывало при номинальном токе  и при штатных переходных процессах

Представляем Вашему вниманию устройство, обладающее всеми этими качествами - современный высокотехнологичный быстродействующий предохранитель английской фирмы Bussmann.

Если обычные предохранители, соответствующие стандарту IEC 60 269-2, предназначены только для защиты промышленного оборудования без полупроводниковых устройств, то быстродействующие предохранители компании Bussmann были разработаны специально для защиты силовых  полупроводников. Такие предохранители маркируются буквенным кодом aR и специальным символом – последовательно соединенный предохранитель и диод. Возможно поэтому их иногда неправильно называют «полупроводниковыми». На самом деле внутри них нет полупроводниковых компонентов и конечно при их подключении не надо соблюдать полярность.

 ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Быстродействующие предохранители рассчитаны таким образом, чтобы минимизировать время срабатывания, значение I2t, пропускаемый пиковый ток и напряжение дуги. Чтобы обеспечить быстрое плавление элемента, «перешейки» быстродействующих предохранителей имеют несколько иную конструкцию, нежели у обычных промышленных предохранителей такого же номинала, и, как правило, работают при более высоких температурах. Поэтому при конструировании быстродействующих предохранителей приходится учитывать более высокое тепловыделение, а также более высокую скорость этого процесса, носящего взрывной характер. Для того чтобы эффективно  рассеять тепло, а также выдержать ударные нагрузки, корпус предохранителей Bussmann делается из материалов более высокого класса. Чтобы соответствовать по размеру защищаемому оборудованию, быстродействующие предохранители часто производятся в корпусах меньшего размера, что предъявляет еще более высокие требования к качеству.

Огромное значение для безопасного срабатывания имеет наполнитель предохранителя. Как правило, в качестве наполнителя применяется кварцевый песок, но здесь есть ряд особенностей. Если песок будет слишком крупным или слишком мелким, если размер песчинок  будет неодинаковым или они недостаточно плотно будут утрамбованы, то возможен эффект, когда скорость газа, образовавшегося при расплавлении проводящего элемента, не будет снижена трением о песчинки и произойдет разрыв корпуса предохранителя. На сайте youtube выложено видео взрыв неправильно собранного предохранителя с номиналом всего 100А. Чтобы этого не происходило, фирма Bussmann использует специальный калиброванный кварцевый песок, причем для разных типов предохранителей калибр подбирается индивидуально.ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN При сборке, предохранитель проходит через специальный вибростанок, обеспечивающий плотное наполнение песком всех частей корпуса предохранителя. После сборки каждый предохранитель просвечивается на специальной рентгеновской установке, проверяющей на отсутствие пустот, а также правильность монтажа всех компонентов предохранителя.

Помимо скорости срабатывания, быстродействующие предохранители обладают ещё одним важным качеством - свойством ограничения тока. Традиционные устройства защиты (такие, как автоматические выключатели) от перегрузки позволяют сверхтоку короткого замыкания протекать по цепи в течение нескольких периодов. Это приводит к разогреванию и термическому разрушению проводов и их изоляции, взрыву компонентов и, наконец, к пожару. Быстродействующие предохранители разрывают цепь задолго до того, как значение напряжения, а соответственно и тока достигнет своего максимума в течение первого полупериода. В результате все части устройства не подвергаются разрушительным перегрузкам и остаются целыми.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Для полноценной защиты рекомендуется последовательно с автоматическим выключателем ставить предохранители. Специально для такой комбинированной защиты компания Bussmann выпускает приборы, совмещающие в себе автомат и плавкую вставку.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Для корректной работы предохранителя в цепях защиты чувствительных полупроводниковых устройств, необходимо правильно подобрать его номинал, значение которого зависит не только от параметров защищаемой цепи, но и от многих внешних факторов. Например, при повышенной температуре окружающей среды (при работе в условиях закрытого монтажа или в случае близости теплонагруженных элементов) номинал предохранителя должен быть увеличен, а если предохранитель работает при низких температурах окружающей среды, либо принудительно охлаждается потоком воздуха, его номинал надо понизить. Также на выбор номинала влияет плотность тока в контактной площадке, частота тока, давление (при высотах выше 2 км), а также частота и длительность импульсов тока перегрузки. Так факторов влияющих на номинал предохранителя очень много, то при разработке новых устройств Bussmann рекомендует обращаться за консультацией к своим специалистам. По этой же причине, при замене сгоревшего предохранителя,  не рекомендуется использовать другие типы и номиналы без консультаций со специалистом Bussmann.

            Полупроводники и соответствующие им  быстродействующие предохранители используются во многих приложениях, таких как частотные преобразователи для электродвигателей, приводы постоянного и переменного тока, устройства плавного пуска, электролиз, индукционные печи, преобразователи напряжения и прочее. Конфигурация схемы для этих приложений может значительно различаться, но некоторые аспекты схем и их защиты являются общими для всех применений. Приложения можно разбить на две большие группы – с переменным и постоянным напряжением питания.  Многие производители не производят отдельных типов предохранителей  для постоянного тока, хотя есть существенные различия в прерывании цепи при переменном и постоянном токе.  В случае переменного или импульсного  напряжения, предохранитель будет подвергаться напряжению, которое будет уменьшаться до нуля или почти до нуля в соответствии с частотой питающего напряжения. В этих условиях прохождение напряжения через ноль существенно облегчает процесс гашению дуги. При постоянном токе погасить дугу гораздо сложнее. Поэтому размеры предохранителя для постоянного тока как правило гораздо больше аналогичного предохранителя для переменного тока.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Многие производители рекомендуют для цепей постоянного тока использовать предохранители для переменного тока, только на большее напряжение. Но не существует универсального метода определения максимального номинала предохранителя для постоянного тока, основываясь на его значении для переменного тока. Напряжение, при котором предохранитель может безопасно работать, зависит от того, насколько быстро затухает ток в данной цепи при снятии напряжения. Параметр, характеризующий этот процесс затухания, называют Постоянной времени. Для различных приложений постоянная времени будет существенно различаться. Ниже, в таблице, приведены характерные значения постоянной времени для некоторых из схем:

Тип схемы

Постоянная времени, мсек

Схема зарядки аккумуляторов

<10

Инверторы, источники питания

<15

Ротор двигателя постоянного тока

20-60

Статор двигателя постоянного тока

>1000

 Интересно, что при малых значениях Постоянной времени возможно, что номинал тока предохранителя при постоянном напряжении может быть больше, чем при переменном (согласно стандартам IEC или UL). Однако, для большинства случаев номинал предохранителей при постоянном токе составляет не более 75% от номинала при переменном тока.  По мере увеличения Постоянной времени, номинал при постоянном токе снижается. Компания Bussmann производит большой диапазон предохранителей, специально разработанных для работы при постоянном токе в самых разнообразных приложениях: схемах зарядки аккумуляторов, выпрямителях, частотных преобразователях и инверторах с IGBT и GTO, и др.

Появление IGBT в качестве переключающего элемента сделало схемы управления гораздо более простыми, значительно снизило потери в ключах и повысило надежность работы. Более высокая допустимая частота переключения позволили повысить эффективность использования ШИМ техники, а также улучшили качество выходного сигнала. Однако защита схем с IGBT весьма непростая задача. Силовые транзисторы обычно работают крайне близко к своим верхним пределам по току и напряжению. Случайный выход за пределы безопасного диапазона может повредить транзистор и, если время перегрузки будет небольшим, то даже быстродействующие предохранители не успеют защитить его. Когда транзистор выведен из строя, то ток ограничен только низким сопротивлением пробитого перехода, в результате чего возникает сверхтоки короткого замыкания. В  этой аварийной ситуации активная защита не может помочь, и сверхток приводит к расплавлению проводников и к взрыву транзистора, который выводит из строя окружающие компоненты и вызывает пожар в оборудовании. Чтобы избежать серьезных материальных потерь, необходимо включать быстродействующие предохранители в силовую цепь каждого полупроводникового элемента.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Возможно предохранитель не успеет защитить от сгорания сам IGBT модуль, но он предотвратит  дальнейшие разрушения и ограничит энергию, выделившуюся в процессе неисправности быстрее и эффективнее любого из прочих устройств защиты.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

Зачастую можно встретить нежелание использовать предохранители в подобных схемах, поскольку они вносят дополнительные потери энергии, занимают место, удорожают устройство, и, наконец, вносят дополнительную индуктивность в схему, что увеличивает постоянную времени цепи.

Однако преимущества от их применения как то: устранение вероятности взрыва силовых полупроводников, упрощение сертификации, уменьшение затрат на восстановление работоспособности устройства, перевешивают все эти сложности, Компанией Bussmann производятся специальные предохранители для IGBT в корпусах типа 3Р и 4Р. Они  могут быть установлены в едином монтажном устройстве с  press-pack полупроводником, что снизит количество шин в цепи, а значит, общую индуктивность.

Для снижения потерь можно использовать также параллельное включение предохранителей. Поскольку площадь поверхности двух предохранителей  превышает площадь равного им по номиналу одного предохранителя, то охлаждающий эффект также больше. Результатом этого является возможность использовать меньшие номиналы, более близкие к номинальному току защищаемого устройства, что обеспечивает лучшую защиту и меньшие потери мощности. Параллельно можно включать только предохранители одного и того же типа и номинала. Все предохранители должны быть смонтированы таким образом, чтобы обеспечить равные условия по протекаемому току и теплоотведению. В установках на большие токи следует дополнительно подбирать предохранители с максимально близкими значениями сопротивления в холодном состоянии.ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN В ассортименте Bussmann® есть готовые параллельные предохранители в заводском исполнении для различных типов и классов предохранителей.

Для IGBT в пластиковом корпусе есть и другая проблема, которая возникает еще до наступления расплавления или взрыва кристалла. Внутренние соединения в корпусе IGBT и других компонентов выполнены из тонкой алюминиевой проволоки. В условиях неисправности эта проволока плавится, образуя дугу, в результате чего пластиковый корпус может отделиться от подложки. При этом происходит повреждение корпуса модуля. Предохранитель в этом случае, должен быть выбран таким образом, чтобы его полный I2t  был меньше, чем I2t, который может выдержать полупроводник. К сожалению, часто данные по I2t для IGBT отсутствуют в технической документации. Более того, поскольку полупроводники имеют нелинейную вольтамперную характеристику,  мгновенная рассеиваемая мощность не пропорциональна квадрату тока. Поэтому I2t для полупроводников не является константой, и уменьшается по мере снижения длительности импульса. В таких случаях необходимо выбирать предохранитель с наименьшим возможным параметром I2t.

Если IGBT или соединительные провода повреждены, схема управления может быть подвергнута высоким напряжениям и токам силовой части схемы.  Чтобы избежать или хотя бы ограничить повреждение схемы управления, необходимо использовать в ней самые быстродействующие из доступных предохранителей, которые также проверены на использование в цепях постоянного тока с напряжением, не ниже напряжения в данной цепи. Обычные стеклянные предохранители с низкой прерывающей способностью тут неприменимы. Широкий ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann®решает подбора требуемых параметров.

При подборе номинала предохранителей для IGBT необходимо учитывать особенности при работе с высокими частотами, а именно влияние скин-эффекта и эффекта близости проводников («proximity effect»), усиливающихся с увеличением частоты, и применять соответствующие поправочные коэффициенты.

Помимо схем с IGBT-модулями остановимся также еще на одном примере применения быстродействующих предохранителей, а именно для защиты диодов и тиристоров. В крупных выпрямительных установках, для которых важна непрерывная работа, используются схемы с параллельным включением, в каждом из которых используется свой предохранитель. Это cделано  для того, чтобы выход из строя одного диода или тиристора не вызвал нарушение работы всей схемы. В этом случае важно точно подобрать номинал предохранителя таким образом, чтобы,  I2t предохранителя был меньше I2t разрушения полупроводника, но при этом не вызвать срабатывание предохранителей в исправных цепях схемы. Ниже приведен пример схемы, когда правильно подобранный предохранитель защищает исправные компоненты от повреждения и позволяет схеме безостановочно функционировать.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ BUSSMANN

В заключении стоит отметить, что быстродействующие предохранители в силу особенностей конструкции обеспечивают защиту только от сверхтока короткого  замыкания. Защиту от незначительных перегрузок необходимо обеспечивать иными средствами. Несмотря на это, применение быстродействующих предохранителей крайне необходимо для защиты остальной части схемы от разрушения сверхтоками и последствий взрыва ключевого элемента. Также важными факторами быстродействующих предохранителей являются их токоограничивающая способность и высокая прерывающая способность при работе с постоянными напряжениями. Компания Bussmann предоставляет наиболее широкий ассортимент быстродействующих предохранителей на мировом рынке, и по праву гордится качеством и надёжностью своей продукции. Быстродействующие предохранители Bussmann® выпускаются во всех международных типах корпусов, соответствующих стандарту EN60269-4, объединяющему все предыдущие европейские и американские стандарты для быстродействующих предохранителей и также включает стандартизированные тесты для предохранителей в инверторах (VSI).

 

Литература:

  1. Официальный сайт компании Bussmannhttp://www.cooperindustries.com
  2. High Speed Fuse Application Guide, Cooper Industries plc, USA,  2010
  3. Fuse Protection of IGBT Modules against Explosions, Frede Blaabjerg, Florin Jov, Karsten Ries, Journal of Power Electronics, vol 2, 2002
  4. Selecting Protective Devices Handbook, Cooper Industries plc, USA, 2009.

Оригинал статьи можно скачать по этой ссылке