Vlci jsou nakrmeni a ovce jsou v bezpečí. Kombinovaná metoda ochrany měniče před rozběhovými nadproudy a potlačení vysokofrekvenčních harmonických | Výkonová elektronika

Článek poskytuje analýzu klasických metod ochrany proti rozběhovým nadproudům na vstupu statických výkonových měničů a doporučuje jednoduchou metodu ochrany založenou na použití sériově vyráběných tlumivek pro potlačení vysokofrekvenčního rušení od společnosti Elhand.

Boris Semenov

Vysokofrekvenční měniče pro napájecí systémy napájené jednofázovými střídavými sítěmi 220 V, 50 Hz a třífázovými střídavými sítěmi 380 V, 50 Hz tradičně používají vstupní článek, který převádí střídavé síťové napětí na stejnosměrné napětí, které je následně transformováno řízeným vysokofrekvenčním článkem na střídavé napětí pulzní formy. Od vzniku vysokofrekvenčních měničů nedošlo k významným změnám ve vstupním článku: tradičně se jedná o kaskádové zapojení usměrňovače (můstkového nebo třífázového) a vyhlazovacího filtru kapacitní nebo indukčně-kapacitní povahy. Vývoj takových obvodů, jak se říká, „čelně“ může vést ke vzniku nabíjecích nadproudů, které mnohonásobně převyšují provozní proudy spotřeby. Proto vývojáři používají obvodová opatření různého stupně složitosti, aby zcela eliminovali rozběhové nadproudy nebo je snížili na bezpečné hodnoty.

V případě nízkopříkonových vysokofrekvenčních měničů (s výkonem do 200–300 W) je vstupní spoj, napájený z jednofázové sítě, konstruován podle známého typického obvodu znázorněného na obr. 1.

Obr. 1. Obvod pro omezení nadproudu pro nízkopříkonové měniče

Střídavé napětí 220 V, 50 Hz je zde usměrněno diodovým můstkem VD1…VD4, pulzace usměrněného napětí jsou vyhlazovány kapacitním filtrem založeným na kondenzátoru C. Protože měnič lze připojit k napájecí síti nejen v okamžiku, kdy je napětí sítě blízké nule, ale i při její amplitudě, může nabíjecí proud kondenzátoru C snadno diodový můstek vyřadit z provozu, tj. způsobit průraz proudu, pokud nebudou přijata opatření k omezení tohoto nadproudu. Je zřejmé, že omezení nabíjecího proudu za podmínek blízké nulové impedance kondenzátoru C může nastat pouze v důsledku aktivního odporu vodičů vedoucích proud (který je malý). Aby se vyloučil vznik nouzového režimu, je do vstupního spoje zaveden rezistor R s malým odporem, který omezuje nabíjecí proud. Tato ochrana je široce používána v průmyslových zařízeních, i když v provozním režimu rezistor R rozptyluje tepelnou energii, a proto mírně snižuje účinnost měniče. Metody pro výpočet hodnoty odporu R jsou dobře známé [1], takže podrobnosti naleznete v příslušné literatuře.

Účinnost obvodu znázorněného na obr. 1 lze zvýšit použitím nelineárního termistoru, jehož odpor se mění v závislosti na teplotě, namísto lineárního rezistoru R. Co poskytuje použití termistoru? Během počátečního spuštění proudový impuls termistor zahřívá a jeho odpor prudce roste, čímž se snižuje rozběhový proud. V režimu ustáleného odběru proudu termistor obnoví svůj nízký odpor (ochlazuje se) a tepelné ztráty se snižují.

Při vývoji výkonných měničových zařízení se problém odvodu tepla stává významným, takže vývojáři se snaží co nejvíce snížit emise tepla, často za cenu výrazného složitosti konstrukčního schématu. V souladu s tím jsou zde upraveny výše popsané metody pro snížení rozběhových proudů. Pojďme se na ně podívat podrobněji.

Obr. 2. Upravený obvod pro omezení nadproudů při zapínání

Obr. 2 znázorňuje upravený obvod pro omezení rozběhových nadproudů, často používaný v měničích s jmenovitým výkonem větším než 1 kW. Jak je z obvodu patrné, článek obsahuje známý omezující rezistor R. Kromě něj však byly zavedeny i další prvky:

• stykač K1 pro napájení síťového napětí 380 V, 50 Hz;
• relé K2, které přepíná odpor omezující proud R;
• Výstupní napěťový regulační senzor DN.

Při prvním zapnutí se stykač K1 sepne a kondenzátor C se nabije přes rezistor R. V tomto případě je hodnota napětí U_c Napětí na kondenzátoru C je řízeno napěťovým senzorem DN. Když napětí U_c dosáhne hodnoty potřebné ke spuštění vysokofrekvenčního střídačového spoje, relé K2 sepne, čímž se přeruší odpor R, což zajistí snížení tepelných ztrát v ustáleném provozním režimu.

Jaké jsou nevýhody tohoto obvodu? Zaprvé, článek obsahuje stykače a relé s výkonnými kontakty, které musí umožnit průtok proudu ne nižšího než jmenovitý spotřebovávaný proud. Zadruhé, objevuje se další elektronický obvod založený na senzoru napětí DN, který musí algoritmicky zpracovat úlohu spouštění a rozhodovat o odpojení stykače K1, pokud napětí na kondenzátoru C nedosáhne požadované hodnoty v daném čase nebo pokud se napájecí napětí během provozu sníží. Kromě toho musí elektronický obvod zajistit zpoždění restartu po odpojení měniče. V opačném případě může měnič přejít do režimu napájení s rozepnutým relé K2, což povede k nepřijatelnému ohřevu omezujícího rezistoru R. Nicméně popsaný obvod v autorově verzi byl použit při vývoji statického měniče třífázového napětí 380 V, 50 Hz na třífázové napětí 220 V, 400 Hz s výkonem 6 kW. Během pěti let provozu jednotka nikdy nezklamala a osvědčila se z té nejlepší stránky.

Složitější (a účinnější) obvod pro omezení nadproudu použitý při návrhu 12kW DC-DC měniče je znázorněn na obr. 3.

Obr. 3. Obvod pro omezení nadproudu použitý při vývoji 12kW DC-DC měniče

Tento obvod pro omezení nadproudu se zásadně liší od výše popsaných obvodů, protože je založen na regulátoru napětí typu chopper [1]. Používá IGBT sestavu VT1 typu CM200DY-24A (výrobce – Mitsubishi) s vestavěnými ultrarychlými diodami. Tlumivky L1, L2 a kondenzátor C2 tvoří filtr pro usměrněné napěťové pulzace. Kondenzátor C1 chrání obvod před napěťovými přepětími během provozu. Obvod má navíc:

• proudový senzor DT typ LA55P (výrobce – “Tvelem”);
• snímač napětí DN typ LV25P (výrobce – “Tvelem”);
• Ovladač DR pro ovládání „horního“ tranzistoru sestavy IGBT;
• schéma řídicího systému.

Po připojení měniče k síti se tranzistor VT1.1 přepne do vodivého stavu a kondenzátor C2 se začne nabíjet. Když spouštěcí proud dosáhne nastavené hodnoty, řídicí obvod řídicího systému přeruší nabíjecí proud, proud se sníží a proces zapínání/vypínání tranzistoru VT1.1 se opakuje, dokud se neaktivuje napěťový senzor DN, což signalizuje, že napětí na kondenzátoru C2 dosáhlo nastavené úrovně. Senzor DN blokuje tranzistor VT1.1 v otevřeném stavu a poté se vysokofrekvenční měnič spustí.

Hlavní výhoda tohoto zapojení je zřejmá: lze s jeho pomocí dosáhnout hodnoty rozběhového proudu, která v ustáleném provozním režimu nepřesahuje hodnotu odebíraného jmenovitého proudu (přirozeně prodloužením doby nabíjení kondenzátoru C2). Bohužel se toto obvodové řešení ukázalo i jako implementačně poměrně složité: do měniče musela být zavedena řada složitých funkčních celků, které se používají hlavně v době počátečního spouštění a následně nenesou funkční zátěž. Obvod na obr. 3 se navíc během provozu ukázal jako mnohem méně spolehlivý než obvod na obr. 2.

Poté, co se autor článku podrobně podíval na další prvky vstupního spoje měniče, pokusil se najít jejich skryté možnosti pro zajištění omezení nadproudu. Jak se mu toho podařilo dosáhnout, bude popsáno níže.

Obr. 4. Vstupní spojení výkonných převodníků

Podívejme se na obr. 4, kde je podrobněji znázorněno složení vstupního článku výkonného měniče. Zde se nachází nejprve síťová tlumivka L1, která omezuje šíření harmonických složek do napájecí sítě, vznikajících během provozu vysokofrekvenčního měniče, a také tlumí spínací přepětí. Výkonový obvod dále obsahuje modulární odrušovací filtr PPF, který zpožďuje vyšší harmonické rušení. Prvky filtru pro potlačení pulzací usměrněného napětí L2, C jsou nám již známy.

Není možné použít PPF jako omezovač rozběhových proudů, protože tato funkce mu není inherentní, ale funkce blízké tomuto úkolu vykonávají tlumivky L1 a L2. Jak se ukázalo, lze je „zatížit“.

Zde je nutné udělat malou odbočku a říci pár laskavých slov o síťových tlumivkách vyrobených společností Elhand [2]. Vzhled nejzajímavějších typů tlumivek je v tomto případě znázorněn na Obr. 5.

Obr. 5. Vzhled tlumivek: a) ED1N; b) ED1W 100HZ; c) ED1W 300HZ; d) ED3N; d) ED3W

Proč síťové tlumivky? Proč jsou potřeba? Faktem je, že napětí v napájecí síti je náchylné ke zkreslení vlivem vysokofrekvenčních měničů, které odebírají proud ze sítě v pulzním režimu a vytvářejí vysokofrekvenční rušení. Síťové tlumivky toto rušení tlumí a snižují riziko vstupu harmonických do napájecí sítě. Navíc, pokud jsou jako výkonové klíče použity tyristory, síťové tlumivky zaručeně poskytují ochranu před lavinovým nárůstem jejich vodivostního proudu až do okamžiku sepnutí [3].

Výběr vhodné tlumivky Elhand pro instalaci ve vyvíjeném měniči je poměrně snadný. Hlavní podmínkou pro výběr je poměr indukčnosti napájecích vodičů napájecí sítě. L_s a indukčnost tlumivky L_d:

kde U_T — hodnota napětí na výkonovém zařízení v okamžiku jeho zapnutí, V; d_iT/dt — strmost nárůstu vodivostního proudu výkonového zařízení, A/s; L_s — indukčnost napájecích vodičů napájecí sítě.

Vyhodnoťte parametry U_T и d_iT/dt V případě použití IGBT zařízení to není obtížné – tato data lze získat analýzou hodnoty usměrněného napájecího napětí a také rychlosti nárůstu proudu během spínání, která je určena povahou zátěže měniče (aktivní, indukční, kombinovaná) a rychlostí spínání IGBT zařízení.

Ohodnoťte hodnotu L_s obtížnější, protože není předem známo, jak dlouhé budou přívodní vodiče ani jaká bude jejich konfigurace. Proto Elhand v každém případě doporučuje instalovat síťovou tlumivku se zaměřením na množství proudu odebíraného ze sítě. Za tímto účelem a pro usnadnění výběru vyvinuli specialisté společnosti Elhand standardní řadu třífázových tlumivek ED3N. Některé standardní jmenovité hodnoty této řady jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1. Některé jmenovité hodnoty tlumivek ED3N

Hlavním konstrukčním kritériem je zde přípustný úbytek napětí na tlumivce v zatíženém stavu, který by neměl překročit několik procent jmenovitého síťového napětí:

kde U_L — úbytek napětí na tlumivce; f — frekvence síťového napětí; L_d — konstrukční indukčnost tlumivky; i — jmenovitý proud tlumivkového vinutí.

Je třeba poznamenat, že Elhand vyrábí také třífázové motorové tlumivky řady ED3S, určené k zajištění kontinuity toku proudu ve vinutích motoru [4], a také jednofázové tlumivky pro kompenzaci harmonických složek o frekvencích 100 Hz a 300 Hz typu ED1N a ED1W. Třífázové motorové tlumivky typu ED3S lze v principu použít jako síťové tlumivky a jednofázové tlumivky typu ED1N a ED1W jako vyhlazovací prvky síťových LC filtrů.

Tlumivky jako takové jsou samozřejmě poměrně triviální prvky, které lze vyrobit i v malých výrobních firmách. Proč se doporučuje zaměřit se na zakoupené produkty? Odpověď je jednoduchá. Teoreticky není těžké tlumivku vyvinout a vyrobit. Nezapomínejme však na náklady na pracovní sílu při výrobě, technologickou stránku problematiky, dlouhou životnost měničového zařízení, které je často nuceno pracovat v náročných klimatických a mechanických podmínkách. Tlumivky od společnosti Elhand tyto požadavky plně splňují: jsou vyráběny specializovanou firmou, mají nízkou cenu, jsou mechanicky odolné, impregnovány vakuovou metodou (což umožňuje udržovat vysoký izolační odpor i ve vysoce vlhkých podmínkách), jsou vybaveny snadno instalovatelnými svorkami a jsou optimalizovány co do velikosti. Bohužel neexistují žádné kompletní domácí analogy takových tlumivek, což deprimuje vývojáře speciálních měničových zařízení.

Vraťme se ale k problematice použití síťových tlumivek Elhand k omezení rozběhových proudů. Autor článku s využitím počítačového modelování v balíčku MicroCap 7.0 analyzoval reálný obvod vstupní části statického měniče o výkonu 12 kW, se síťovou tlumivkou ED3N a tlumivkami pro potlačení pulzací 300 Hz typu ED1W, znázorněnými na obr. 6.

Obr. 6. Výpočtové schéma pro určení rozběhových nadproudů

Tlumivka L1 je síťová tlumivka, tlumivky L2 a L3 jsou součástí LC filtru. Diodový můstek je typu 160MT120KV (výrobce – IR), kapacitní část filtru je tvořena 12 kondenzátory typu B43586-A5687-Q (výrobce – Epcos) s ekvivalentní kapacitou 1020 μF. Odrušovací filtr je z důvodu svého nevýznamného vlivu na proces omezování nadproudů z modelu vyloučen.

Obr. 7. Výsledky modelování rozběhových nadproudů

Výsledky simulace jsou znázorněny na Obr. 7. Z grafu je zřejmé, že spouštěcí proud protékající diodami VD1…VD6 nepřekračuje povolenou hodnotu pro diody a přechodový jev netrvá déle než 10 ms, což nepovede k sepnutí automatického spínače typu AK-50B se jmenovitým proudem 25 A a nastavením 12I instalovaného na vstupu převodníku.

Síťová tlumivka L1 tedy plní dvě funkce: v okamžiku zapnutí chrání společně s tlumivkami L2 a L3 diodový můstek před výskytem nadproudů a v režimu nepřetržitého provozu potlačuje vysokofrekvenční harmonické.

Literatura

1. Semenov B. Yu. Výkonová elektronika: od jednoduchého ke složitému. Moskva: Solon-Press. 2005.
2. www.elhand.com.pl
3. Lukiewski M. Elhand síťové tlumivky / www.elhand.com.pl
4. Lukiewski M. Škrticí klapky motoru Elhand / www.elhand.com.pl