Как работает защита преобразователя частоты от короткого замыкания в нагрузке.

У современных преобразователей частоты (ПЧ) существует защита от коротких замыканий (КЗ) в выходных силовых цепях между собой и на цепи заземления. Защита обеспечивается совокупностью программных и аппаратных средств. Время срабатывания защиты от токов КЗ складывается из времени затраченного на измерение фактического значения силы тока, обработку полученной информации и отключение силовых модулей. Защита создана с расчетом исключения ложного срабатывания.

На рисунке 1 приведен график тока КЗ при отсутствии защиты. Imax - это максимальный ток силового транзистора, в зависимости от моделей может превышать номинальный ток Iном в 4-6 раз при длительности не более 10мксек.

Что мы понимаем под КЗ? Это соединение неизолированных частей с разным потенциалом. Последствиями такого соединения являются резкое возрастание тока и тепловыделение. Тепловыделение не прекратится до тех пор, пока цепь КЗ не разорвется, т.е. пока не случится тепловой пробой «слабого звена», либо пока источник питания не прекратит подачу электроэнергии.

В случае, когда КЗ происходит между выходными фазами ПЧ, его IGBT-транзистор оказывается «слабым звеном». При протекании через него тока КЗ на нем рассеивается недопустимо большая мощность, поэтому если вовремя не снять напряжение c выхода ПЧ, то произойдет тепловой пробой IGBT. На величину тока КЗ влияет напряжение на выходе ПЧ и сопротивление участка цепи до места КЗ. Поэтому огромная разница в ситуациях, когда КЗ произошло на выходе ПЧ в кабеле на расстоянии 100м от него или 1м, либо оно произошло в работе привода на частоте 50 Гц или при запуске, либо при полной нагрузке, когда двигатель потребляет номинальный ток или пуск на холостом ходу двигателя.

На рисунке 2 можно увидеть графики токов КЗ при различных условиях возникновения. tзащ - время срабатывания защиты с момента появления КЗ до снятия напряжения с выхода ПЧ. Если за время отключения tзащ ток КЗ не превысил максимального значения тока силовых элементов ПЧ (кривые 2,3), то после сброса ошибки ПЧ продолжит работу, если ток окажется больше, то он выведет из строя выходную силовую часть (кривая 1). Поэтому чем выше отношение dI/dt, т.е. выше скорость возрастания тока, тем больше вероятность пробоя силовой части по выходу.

Защита отключит выход ПЧ также в том случае, если произошел пробой любых из выходных фаз на землю. Ток по этой фазе также резко возрастает, что фиксируется системой защиты и подается сигнал на отключение.

Важным моментом является то, что IGBT-транзисторы испытываются на режим КЗ. Через модуль пропускают стандартные импульсы тока КЗ до начала разрушения модуля. В зависимости от условий испытания, имитирующих условия эксплуатации (напряжение на звене постоянного тока, температура силового транзистора и т.п.), модуль может выдержать от нескольких единиц до сотен тысяч таких импульсов. Это означает, что количество отключений ПЧ по ошибке КЗ не бесконечно и происходит частичная деградация модуля, которая зависит от условий эксплуатации и условий возникновения. В реальных же ситуациях при протекании токов большой величины, импульс КЗ может быть настолько сильным, что мгновенно выводит из строя и сам модуль, и защитные элементы.

Зачастую к неправильной работе схемы защиты в ПЧ приводит нарушение условий эксплуатации: повышенная влажность, запыленность, работа или хранение при низких температурах и т.д. При отсутствии или неисправности схемы защиты сверхтоки могут протекать до нескольких секунд. Поэтому прежде чем сбрасывать ошибку для продолжения работы, необходимо провести мероприятия по выявлению причин появления такой ошибки: прозвонить сопротивление обмоток двигателя, сопротивление изоляции на землю и т.д.

Дополнительной защитой от КЗ может быть использование выходного фильтра. Он сгладит пиковые значения, уменьшит скорость нарастания тока КЗ, что в свою очередь даст возможность сработать защите. Таким образом, он является буфером между ПЧ и двигателем, являясь защитой ПЧ от аварий двигателя и кабеля до него.

Итак, при нормальных условиях эксплуатации современные преобразователи частоты способны обеспечить стойкость к режиму КЗ благодаря созданной защите отключающей выход, тем самым ограничивая сверхток. При возникновении ошибки, нельзя ее игнорировать и сбрасывать, необходимо выявить причину. При тяжелых условиях эксплуатации, например частых заклиниваниях, либо для большей защиты, рекомендуется ставить выходной фильтр (моторный дроссель), он может значительно продлить ресурс работы ПЧ.