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 ró\
na i
zale\
na od warunków stosowania. Nie istnieje jednak prosta zasada, na podstawie której mo\
na 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 nale\
y 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. Mo\
na wymienić równie\
kilka przykładów zastosowania bezpieczników DC w
zabezpieczaniu silników elektrycznych pojazdów trakcyjnych  lokomotyw, tramwajów,
elektromagnesów i pojazdów cię\
arowych, 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 z
ródła 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. y
ródło napięcia, cewka L i rezystor R są
szeregowo połączone w obwód, w którym jest równie\
bezpiecznik topikowy.
W przypadku wystąpienia zwarcia prąd w obwodzie narasta zgodnie z krzywą wykładniczą (rys. 2a), co
mo\
na w przypadku idealnym opisać równaniem i=IA" (1-e-(L/R)t). Wartość prądu IA, który nazywany
jest te\
prądem spodziewanym IP, jest określona prawem Ohma IA=U/R, a wartość L/R=t to stała
czasowa. Powy\
sze równanie pokazuje wpływ parametru L/R na czas przepalenia się bezpiecznika.
Tymczasem z równania di/dt=U/L=IA/t wynika, \
e im większa stała czasowa L/R, tym dłu\
szy jest czas
narastania prądu i dłu\
szy 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 ni\
szej
indukcyjności, dla którego czas przepalania się bezpiecznika jest krótszy ni\
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
Rys. 1. Schemat
Fot. 1. Bezpieczniki do
prostego obwodu
wózków
prądu stałego z
akumulatorowych
bezpiecznikiem
Analiza wyłączania prądu stałego
Jedną z właściwości bezpieczników jest wytwarzanie przepięcia, którym jest
takie napięcie łuku elektrycznego, które jest większe ni\
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 przecią\
enia są dla prądów AC i DC zupełnie ró\
ne.
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, \
e przy
wyłączaniu prądu stałego zdolność wyłączeniowa wkładki jest odwrotnie
proporcjonalna do zmagazynowanej energii magnetycznej, bądz
stałej
czasowej obwodu. Oznacza to, \
e jest ona mniejsza od zdolności
Rys. 2. Zmiany
wyłączeniowej dla prądu AC.
wartości prądu w
czasie dla ró\
nych
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 obcią\
eniowych.
Zdolność wyłączeniowa bezpieczników w obwodach z większą stałą czasową, czyli np. takich, w
których stosowane du\
e silniki DC, jest odpowiednio mniejsza.
Oczywiście zale\
ność ta obowiązuje tak\
e w drugą stronę. W obwodach, w których nie przewiduje się
większych indukcyjności, czyli np. w prostownikach do ładowania akumulatorów, mo\
na przyjąć
większą przewidywaną zwarciową zdolność wyłączania. Podsumowując  zdolność wyłączeniową
wkładki topikowej w obwodzie DC nale\
y 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 ró\
nych 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 poni\
ej 10ms
Akumulatorowe z
ródła napięciowe i systemy UPS poni\
ej 5ms
Silniki prądu stałego i napędy 20ms do 40ms
Magnesy i generatory ponad 1s
Rys. 3. Przebiegi prądu
i napięcia w momencie
Rys. 4. Zale\
ność
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,
mo\
na wykorzystać te wartości równie\
dla prądów stałych. Oczywiście dotyczy to tylko dłu\
szych
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, poniewa\

w tym zakresie charakterystyki czasowo-prądowe są zale\
ne 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