Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego
Strona 1 z 3
Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu
stałego
Wtorek, 13 Listopad 2007 16:32
Bezpieczniki topikowe stosowane są zarówno do zabezpieczeń obwodów prądu
przemiennego, jak i stałego. W artykule opisano ich wykorzystanie w ostatnim z
wymienionych przypadków i przedstawiono kwestie techniczne związane z tego typu
aplikacjami.
Bezpieczniki topikowe są uniwersalnymi elementami zabezpieczającymi, przy czym
zdolność wyłączania prądu zwarciowego przez wkładkę topikową w obwodach AC i DC jest różna i zależna od warunków stosowania. Nie istnieje jednak prosta zasada, na podstawie której można by było określić wartość maksymalnego dopuszczalnego napięcia stałego, mając do dyspozycji jedynie dane o dopuszczalnym napięciu AC dla określonej wkładki topikowej. Aby więc prawidłowo stosować bezpieczniki w obwodach DC należy poznać kilka podstawowych zasad ich działania.
Podstawy teoretyczne
Charakterystyki prądowo-czasowe i pozostałe właściwości bezpieczników mocy, jakie publikowane są w katalogach producentów, zazwyczaj dotyczą wartości dla prądów przemiennych o częstotliwości 50Hz lub 60Hz. Tymczasem bezpieczniki DC stosowane są przede wszystkim w obwodach niskiej mocy i niskiego napięcia, takich jak np. w urządzenia elektroniczne i zabezpieczenia zwarciowe w instalacjach samochodowych. Można wymienić również kilka przykładów zastosowania bezpieczników DC w zabezpieczaniu silników elektrycznych pojazdów trakcyjnych – lokomotyw, tramwajów, elektromagnesów i pojazdów ciężarowych, które wykorzystują energię elektryczną z akumulatorów.
Zastosowania bezpieczników DC
Na świecie powstaje wiele nowych urządzeń, które wykorzystują wkładki topikowe na prąd stały.
Są nimi m.in. systemy zasilania bezprzerwowego, stacje bazowe telefonii komórkowej, przetworniki fotonapięciowe, czyli kolektory słoneczne, oraz samochody z napędem elektrycznym. Wiele z nich wykorzystuje źródła bateryjne – charakteryzują się one ograniczonymi prądami zwarciowymi w porównaniu z konwencjonalnymi zasilaczami AC/DC.
Obwody prądu stałego
Na rys. 1 pokazano prosty schemat obwodu prądu stałego. Źródło napięcia, cewka L i rezystor R są szeregowo połączone w obwód, w którym jest również bezpiecznik topikowy.
W przypadku wystąpienia zwarcia prąd w obwodzie narasta zgodnie z krzywą wykładniczą (rys. 2a), co można w przypadku idealnym opisać równaniem i=I •(1-e-(L/R)t). Wartość prądu I , który nazywany A
A
jest też prądem spodziewanym I , jest określona prawem Ohma I =U/R, a wartość L/R=t to stała P
A
czasowa. Powyższe równanie pokazuje wpływ parametru L/R na czas przepalenia się bezpiecznika.
Tymczasem z równania di/dt=U/L=I /t wynika, że im większa stała czasowa L/R, tym dłuższy jest czas A
narastania prądu i dłuższy czas przepalania się bezpiecznika. Na rys. 2b i 2c przedstawiono zmiany prądu w obwodzie z bezpiecznikiem, przy czym wykres 2b przedstawia prąd dla układu o niższej indukcyjności, dla którego czas przepalania się bezpiecznika jest krótszy niż dla 2c.
http://www.automatykab2b.pl/component/option,com_content/Itemid,58/catid,22/id,915/l...
2009-06-03
Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego
Strona 2 z 3
Fot. 1. Bezpieczniki do
Rys. 1. Schemat
wózków
prostego obwodu
akumulatorowych
prądu stałego z
bezpiecznikiem
Analiza wyłączania prądu stałego
Jedną z właściwości bezpieczników jest wytwarzanie przepięcia, którym jest
takie napięcie łuku elektrycznego, które jest większe niż napięcie wsteczne w
przypadku zwarcia. Dzięki temu prąd zwarciowy zmniejszany jest do zera, co
zapobiega jego niekontrolowanemu wzrostowi.
Bezpieczniki topikowe nadają się do wyłączania prądu przemiennego i
stałego. W momencie wyłączania prądu zwarcia, blisko znamionowej
zdolności wyłączeniowej, procesy fizyczne wewnątrz bezpiecznika są w obu
przypadkach identyczne.
Tymczasem procesy zachodzące w elemencie topikowym bezpiecznika w
momencie wyłączania przeciążenia są dla prądów AC i DC zupełnie różne.
Podczas gdy w przypadku prądu przemiennego jego okresowe przechodzenie
przez wartość zera pomaga wygasić łuk elektryczny, dla wyłączania prądu
DC wkładka topikowa musi absorbować całą energię magnetyczną
zmagazynowaną w łuku elektrycznym. Wynikiem tego jest, że przy
wyłączaniu prądu stałego zdolność wyłączeniowa wkładki jest odwrotnie
proporcjonalna do zmagazynowanej energii magnetycznej, bądź stałej
czasowej obwodu. Oznacza to, że jest ona mniejsza od zdolności
wył
Rys. 2. Zmiany
ączeniowej dla prądu AC.
wartości prądu w
czasie dla różnych
Niskonapięciowe bezpieczniki mocy przeznaczone głównie do zastosowania
układów elektrycznych
w przemyśle wg normy PN-IEC 60269-2, Ed.3, 11/2006 mają określoną
minimalną zwarciową zdolność wyłączania na poziomie 50kA dla AC i 25kA
dla DC.
Wartość zdolności wyłączeniowej bezpiecznika DC określana jest na podstawie stałej czasowej o wartości 15ms, która odpowiada większości przemysłowych obwodów kontrolnych i obciążeniowych.
Zdolność wyłączeniowa bezpieczników w obwodach z większą stałą czasową, czyli np. takich, w których stosowane duże silniki DC, jest odpowiednio mniejsza.
Oczywiście zależność ta obowiązuje także w drugą stronę. W obwodach, w których nie przewiduje się większych indukcyjności, czyli np. w prostownikach do ładowania akumulatorów, można przyjąć większą przewidywaną zwarciową zdolność wyłączania. Podsumowując – zdolność wyłączeniową wkładki topikowej w obwodzie DC należy zawsze oceniać w kontekście stałej czasowej, jaka obowiązuje dla analizowanego obwodu. Typowe stałe czasowe dla niektórych najczęstszych zastosowań są zawarte w tab. 1.
Tabela 1. Przykładowe stałe czasowe dla różnych aplikacji
http://www.automatykab2b.pl/component/option,com_content/Itemid,58/catid,22/id,915/l...
2009-06-03
Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego
Strona 3 z 3
Zastosowanie
Stała czasowa
Przemysłowe kontrolne i obwody mocy prądu stałego
poniżej 10ms
Akumulatorowe źródła napięciowe i systemy UPS
poniżej 5ms
Silniki prądu stałego i napędy
20ms do 40ms
Magnesy i generatory
ponad 1s
Rys. 3. Przebiegi prądu
i napięcia w momencie
Rys. 4. Zależność
wyłączania zwarcia
charakterystyki
przez bezpiecznik; A -
bezpiecznika od stałej
spodziewany prąd
czasowej T obwodu
zwarcia, B - napięcie
wsteczne
Wpływ stałej czasowej
Charakterystyki czasowo-prądowe, które przedstawia producent, zawierają średnie wartości RMS
prądów zadziałania bezpieczników w funkcji czasu. Biorąc pod uwagę doświadczenia praktyczne, można wykorzystać te wartości również dla prądów stałych. Oczywiście dotyczy to tylko dłuższych czasów wyłączeniowych, tj. takich, które są ponad 20-krotnie większe od stałej czasowej t. W zakresie zwarciowym chwilowe wartości prądów zadziałania bezpieczników mogą być zupełnie inne, ponieważ
w tym zakresie charakterystyki czasowo-prądowe są zależne od stałej czasowej obwodu.
Roman Kłopocki
ETI Polam
http://www.automatykab2b.pl/component/option,com_content/Itemid,58/catid,22/id,915/l...
2009-06-03