Приложение А. Руководство по координации плавких вставок и полупроводниковых устройств (нумерация пунктов не связана с применяющейся в основном тексте)

Приложение А

Руководство
по координации плавких вставок и полупроводниковых устройств (нумерация пунктов не связана с применяющейся в основном тексте)

А.1 Общие положения

А.1.1 Область распространения

Настоящее руководство разъясняет характеристики срабатывания плавких вставок в исследуемых условиях, но не определяет пригодность плавких вставок для защиты данных преобразователей.

Примечание - Следует подчеркнуть, что плавкие вставки, предназначенные для цепей переменного тока, не обязательно могут быть пригодны для использования на постоянном токе. Во всех случаях, когда речь идет о постоянном токе, необходимы консультации с изготовителем. Следует, в частности, иметь в виду, что соотношение удельных переменного и постоянного напряжений невозможно выразить в общей форме. Немногочисленные упоминания о работе на постоянном токе, содержащиеся в данном руководстве, неполны и не учитывают всех критических факторов, связанных с этой областью применения.

А.1.2 Цель

Данное руководство должно разъяснить, какой работоспособности следует ожидать от плавких вставок на основании их номинальных параметров и характеристик цепей, в которые они включены, чтобы можно было выбирать нужные плавкие вставки.

А.2 Определения

По разделу 2 со следующими дополнениями:

А.2.1 пульсирующий ток: Однонаправленный ток, мгновенное значение которого периодически изменяется с интервалами нулевого или чрезвычайно низкого значения тока, занимающими заметную часть полной длительности периода.

Примечание - Типичен для импульсного ток в одном плече мостикового выпрямителя.

А.2.2 пульсирующая нагрузка (плавкой вставки): Нагрузка током, действующее значение которого периодически изменяется с интервалами, соответствующими изменению тока от нулевого или чрезвычайно низкого значения до значения тока при полном нагрузочном цикле.

Примечание - В цепи выпрямителя пульсирующая нагрузка может обусловливаться циклическим включением и отключением постоянного тока, например пуском и остановкой двигателя.

А.3 Токопроводящая способность

А.3.1 Номинальный ток

Номинальный ток плавкой вставки устанавливается изготовителем и проверяется, в частности, испытанием на превышение температуры (8.3) и испытанием в повторно-кратковременном режиме по 8.4.3.2.

Примечание - Способность проводить ток без повреждения тесно связана с колебаниями температуры. Информация, предоставляемая изготовителем, относится к условиям испытания (8.1.4 и 8.3). Условия охлаждения зависят от физических свойств плавкой вставки, расхода охлаждающей среды, типа и температуры соединений и соседних нагретых тел.

Информацию о влиянии этих факторов можно получить от изготовителя.

А.3.2 Ток в непрерывном режиме

Для большей части плавких вставок для защиты полупроводников ток в непрерывном режиме равен номинальному току (А.3.1). Но для плавких вставок, не рассчитанных на длительное проведение номинального тока, в непрерывном режиме номинальный ток должен быть уменьшен.

А.3.3 Ток в повторно-кратковременном режиме

Испытания на номинальный ток дают возможность проверить, способна ли плавкая вставка выдержать в условиях испытания повторное проведение номинального тока не менее 100 раз. Ожидаемая износостойкость, выражаемая числом повторений, возрастает с уменьшением фактического тока нагрузки относительно номинального тока.

Необходимо консультироваться с изготовителем о пригодности данной плавкой вставки для использования в требуемом повторно-кратковременном режиме, поскольку установленные испытания позволяют оценить только соответствие требованиям к минимальной износостойкости.

А.3.4 Ток перегрузки

Стойкость против перегрузок (5.6.4.1), указанная изготовителем, относится к координатам одной или нескольких точек вдоль время-токовой характеристики, для которых эта стойкость против перегрузок определялась в условиях, тождественных указанным для номинального тока (8.4.3.4). Условная кривая перегрузок, проходящая через эти проверенные точки, дает несколько заниженную оценку стойкости против перегрузок (5.6.4.2 и рисунок 1).

Поскольку действительная перегрузка редко обнаруживает такую же зависимость от времени, как условная, ее приходится преобразовывать в эквивалентную условную:

- максимальное значение действительной перегрузки приравнивают к максимальному значению эквивалентной условной перегрузки;

- длительность эквивалентной условной перегрузки должна определяться с таким расчетом, чтобы ее равнялся действительной нагрузки, интегрированному по времени, равному 0,2 условного времени плавкой вставки.

Любую нагрузку длительностью, равной 0,2 условного времени, следует считать непрерывной для плавкой вставки.

Однако, поскольку проверка стойкости против перегрузок основывается на 100 циклах перегрузки, на практике при повторно-кратковременных перегрузках требуется уменьшение номинальных значений.

А.3.5 Пиковый ток (пропускаемый ток)

Наибольшее значение пикового тока достигается при срабатывании плавкой вставки в адиабатических условиях.

При практической постоянной скорости нарастания тока его мгновенное значение, достигнутое в конце преддугового периода, увеличивают пропорционально кубическому корню из скорости нарастания. Для многих плавких вставок это пиковое значение. Для плавких вставок, в которых пиковое значение тока достигается намного позднее (во время дуги), общая оценка невозможна и следует консультироваться с изготовителем.

А.4 Характеристики напряжения

А.4.1 Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (5.2) плавкой вставки для защиты полупроводниковых устройств - это значение синусоидального напряжения до включения с номинальной частотой (или, в некоторых случаях, постоянного напряжения), установленное изготовителем. К номинальному напряжению относится вся информация о плавкой вставке. Сравнение плавких вставок различного производства только по номинальному напряжению недостаточно.

А.4.2 Напряжение до включения в процессе эксплуатации

Напряжение до включения - напряжение, которое обусловливает прохождение тока в поврежденной цепи. В большинстве случаев напряжением до включения можно считать напряжение в обесточенной поврежденной цепи, так как влиянием падения напряжения, как правило, можно пренебречь.

Примечание - На напряжение до включения может сказаться любая коммутация в период срабатывания плавкой вставки при напряжении дуги другой плавкой вставки.

В преддуговой период напряжение до включения и самоиндукция цепи определяют скорость нарастания аварийного тока (в принципе - его увеличение от нуля до почти пикового значения). В определенной цепи, т.е. при определенной самоиндукции, это значение , определяющее конец преддугового периода, и интеграл напряжения до включения в этот период, от которого зависит мгновенное значение тока, достигаемое к концу преддугового периода.

Во время дуги разность напряжения дуги и напряжения до включения обусловливает скорость изменения тока. Обычно ток снижается от пикового значения до нуля. Нулевое значение достигается в тот момент, когда интеграл этой разности сравнивается с интегралом напряжения до включения по преддуговому периоду. В то время, когда напряжение дуги ниже напряжения до включения, ток продолжает усиливаться; но в большинстве случаев это время мало и увеличение тока незначительно.

Для плавкой вставки, срабатывающей в адиабатической или околоадиабатической зоне, преддуговой - точно определяемая величина. Во время дуги может принимать самые различные значения даже при одинаковой длительности этого периода. Он минимален, когда избыточное напряжение дуги достигает максимума на начальной стадии времени дуги.

А.4.3 Напряжение дуги

Изготовитель указывает пиковое значение напряжения дуги, достигаемое в самых неблагоприятных условиях. Его характеристика строится как функция напряжения до включения. Пиковое значение напряжения дуги рекомендуется ограничивать уровнем, допустимым для данного полупроводникового устройства.

А.5 Характеристики потерь мощности

А.5.1 Номинальные потери мощности зависят от номинального тока и стандартных условий испытаний (8.1.4 и 8.3.1). Температурный коэффициент сопротивления плавкой вставки приводит к увеличению потерь мощности с более высокой скоростью, чем пропорциональная квадрату силы тока.

Поэтому изготовитель представляет информацию о взаимосвязи между током и потерями мощности либо в виде характеристики потерь мощности, либо в виде отдельных точек.

Характеристика потерь мощности может отклоняться от номинального значения вследствие различия условий эксплуатации и испытания (8.3).

А.5.2 Факторы, влияющие на потери мощности

Вследствие значительной зависимости потерь мощности от соотношения между действительным и номинальным током может оказаться желательным применение плавких вставок с номинальным током выше, чем ток, определенный испытаниями в повторно-кратковременном режиме и на стойкость против перегрузок. Но при повышенном номинальном токе возрастает и . Использование плавкой вставки с наибольшим номинальным током, обеспечивающим достаточную защиту, может в то же время привести к уменьшению потерь мощности и решению проблем, связанных с повторно-кратковременным режимом и перегрузками.

Установка плавкой вставки с повышенным номинальным напряжением обусловливает увеличение потерь мощности. Если ее применение возможно, несмотря на повышение напряжения дуги, дуги уменьшается, и можно выбрать плавкую вставку с более высоким номинальным током, а следовательно, с пониженными потерями мощности.

В плавких вставках со стальными элементами потери мощности могут значительно возрасти при частотах выше номинальной.

А.5.3 Взаимовлияние

Очень короткое электрическое соединение между плавкой вставкой и защищаемым ею полупроводниковым устройством создает между ними заметную тепловую связь.

Таким образом, любое снижение потерь мощности в плавкой вставке может улучшить токовую нагрузку полупроводникового устройства.

А.6 Время-токовые характеристики

А.6.1 Преддуговая характеристика

Пульсирующий ток, появляющийся в ответвлениях выпрямителей или инверторов, невозможно оценивать только по его действующему значению. В случаях необычных пульсаций следует убедиться, что единичный импульс сам по себе не способен повредить плавкому элементу. Например, при кратковременной (менее 0,1 с) перегрузке в соответствии с 8.4.3.4 пик действительной перегрузки соответствует не максимальному действующему значению, а пику импульса с наибольшей амплитудой.

Любой ток c частотой выше номинальной практически не влияет на характеристику преддугового , за исключением упомянутого выше диапазона. При таких значениях ожидаемого тока (при которых преддуговое время при номинальной частоте меньше четверти периода) и повышении его частоты преддуговое время сокращается. При частотах ниже номинальной эффект противоположный. Однако следует подчеркнуть, что преддуговое время может увеличиваться еще заметнее, особенно с повышением ожидаемого тока.

При меньших значениях ожидаемого тока асимметричный ток (переменный ток с периодической составляющей переходного характера) может только вызвать некоторое увеличение действующего значения тока.

В адиабатической зоне это влияние больше всего проявляется в форме увеличения или уменьшения скорости нарастания с заменой действительного тока симметричным с такой же (или близкой) скоростью нарастания в преддуговой период.

В критической зоне, когда характеристика преддугового выходит из адиабатической зоны, необходимо различать асимметрию с начальной большой или малой амплитудой волны. При начальной большой амплитуде значения преддугового уменьшается, при малой - увеличивается.

Пик асимметрии следует учитывать при оценке способности плавкой вставки выдерживать асимметричный ток.

В цепях постоянного напряжения характеристика преддугового , основанная на переменном токе, может оказаться полностью или частично неприменимой, в зависимости от параметров цепи.

Если постоянная времени меньше кратчайшего времени, рассмотренного выше, ожидаемый ток равняется напряжению до включения, деленному на сопротивление.

Для цепи со значительной самоиндуктивностью можно использовать адиабатическую зону характеристики преддугового при условии, что по оси абсцисс откладывается не ожидаемый ток, а скорость нарастания постоянного тока определяется как напряжение до включения, деленное на самоиндуктивность. Кроме того, предполагается, что значение ожидаемого тока (напряжение до включения, деленное на сопротивление) намного (втрое или больше) превышает пропускаемый ток при данной скорости нарастания.

В остальных случаях оперирования при постоянном токе очень трудно придти к какому-либо определенному заключению о преддуговом времени, которого следует ожидать, на основании нормальной характеристики преддугового при использовании переменного тока, так что требуется консультация с изготовителем. Однако на практике в большинстве случаев достаточно применять метод эквивалентности скорости нарастания.

Нормальная характеристика преддугового дает мало информации о срабатывании в случае синусоидального тока, так как в этих условиях либо скорость нарастания преобладает (т.е. токи очень велики), либо ток настолько слаб, что благодаря большой длительности можно воспользоваться действующим значением.

А.6.2 Характеристика отключения

При данном ожидаемом токе разность между характеристиками преддугового и отключения соответствует максимальному значению дуги, возможному в условиях, для которых построена характеристика и отключения. Данные, представленные изготовителем, основываются на низком значении коэффициента мощности (менее 0,3) и действующем значении напряжения до включения.

Наименее благоприятно, когда мгновенное значение напряжения до включения достигает наивысшего возможного уровня и в преддуговой период, и во время дуги. Поскольку такое положение складывается редко, этим можно воспользоваться.

При равных значениях напряжения до включения и ожидаемого тока короткого замыкания повышенная частота связана с уменьшением самоиндуктивности, так что время дуги сокращается и на практике обратно пропорционально частоте.

Примечание - Из-за удлинения времени дуги и обусловленного этим выделением энергии не гарантируется пригодность плавких вставок для использования при частоте ниже номинальной. Если рабочая частота предусматривается ниже номинальной, следует консультироваться с изготовителем.

При выборе максимального значения времени дуги следует учитывать влияние асимметричного тока.

Во всех случаях применения постоянного тока (см. примечание к А.1.1), когда преддуговой оценивается на основании скорости нарастания (А.6.1), а пропускаемый ток достигается к концу преддугового периода, также действительно это значение отключения при условии, что параметр напряжения (исходящий из действующих значений) выбирается с таким расчетом, чтобы постоянное напряжение до включения было ниже среднего переменного напряжения (90% действующего значения). Во всех прочих случаях требуются специальные расчеты или дополнительная информация изготовителя.

А.7 Отключающая способность

В пределах номинальных значений отключающая способность на несинусоидальном переменном токе редко играет роль критического фактора для плавких вставок, предназначенных для защиты полупроводниковых устройств.

При более высоких напряжениях (для высоковольтных плавких вставок) может оказаться затруднительным отключение слабых токов, но эта проблема не относится к диапазону токов, представляющих интерес в данном случае (7.4).

Частоты выше номинальной не влияют отрицательно на отключающую способность, пока не превышено максимальное значение скорости нарастания тока при номинальной частоте. При частотах ниже номинальной в плавкой вставке выделяется больше энергии, чем при номинальной частоте. Требуется дополнительная информация от изготовителя, например об испытании при пониженной частоте по 8.5.5.1.

При определении отключающей способности на постоянном токе (см. примечание к А.1.1) энергия, выделяющаяся в плавкой вставке, во многих случаях выше, чем при номинальной частоте. Часто удовлетворительное срабатывание можно обеспечить только путем использования плавкой вставки с номинальным переменным напряжением значительно выше питающего напряжения постоянного тока. Дополнительную информацию следует запрашивать у изготовителя.

А.8 Коммутация

Токи короткого замыкания в полупроводниковых системах обычно воздействуют на цепи с несколькими ответвлениями, между которыми во время срабатывания плавкой вставки возможна коммутация. Такая коммутация может быть вызвана циклическим изменением напряжения источника переменного тока, зажиганием тиристоров или напряжением дуги другой плавкой вставки.

Такие коммутации влияют на срабатывание плавкой вставки, изменяя конфигурацию цепи, ее параметры и напряжение до включения (например, путем добавления напряжения дуги).

Другой вид непреднамеренной коммутации, способной серьезно повлиять на срабатывание плавкой вставки, связан с вторичным повреждением.