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