wersja mobilna
Online: 236 Niedziela, 2014.10.26

Technika

Zabezpieczenia zwarciowe w obwodach prądu stałego

wtorek, 13 listopada 2007 17:32

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=IA•(1-e-(L/R)t). Wartość prądu IA, który nazywany jest też prądem spodziewanym IP, jest określona prawem Ohma IA=U/R, a wartość L/R=t to stała czasowa. Powyższe równanie pokazuje wpływ parametru L/R na czas przepalenia się bezpiecznika. Tymczasem z równania di/dt=U/L=IA/t wynika, że im większa stała czasowa L/R, tym dłuższy jest czas 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.

Fot. 1. Bezpieczniki do wózków akumulatorowych
Rys. 1. Schemat prostego obwodu prądu stałego z bezpiecznikiem
Analiza wyłączania prądu stałego
Rys. 2. Zmiany wartości prądu w czasie dla różnych układów elektrycznych

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 wyłączeniowej dla prądu AC.

Niskonapięciowe bezpieczniki mocy przeznaczone głównie do zastosowania 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
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 wyłączania zwarcia przez bezpiecznik; A - spodziewany prąd zwarcia, B - napięcie wsteczne
Rys. 4. Zależność charakterystyki bezpiecznika od stałej czasowej T obwodu
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

 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Panele operatorskie z pakietem soft PLC i dodatkowymi we/wy

2014-10-24   | Sabur Sp. z o.o.
Panele operatorskie z pakietem soft PLC i dodatkowymi we/wy

EW1 to najnowsze panele operatorskie serii ESAWARE firmy ESA. Urządzenia wykonane są w kilku wersjach wyposażenia, w tym z wbudowanymi interfejsami CAN lub Profibus DP, możliwością rozbudowy o lokalne we/wy oraz pakietem soft PLC. Obudowa terminali jest pokryta nieprzywieralną powłoką PTFE, która zwiększa odporność na działanie agresywnych substancji, a specjalnie zaokrąglone krawędzie przedniego panela ułatwiają utrzymanie higieny.
czytaj więcej

Karta 16-kanałowego kontrolera USB 3.0 formatu CompactPCI Serial

2014-10-24   |
Karta 16-kanałowego kontrolera USB 3.0 formatu CompactPCI Serial

Firma EKF zaprojektowała kolejną kartę peryferyjną dla systemów PICMG CompactPCI Serial. SBX-DUB to karta 16-kanałowego kontrolera USB 3.0 wyposażona w 4 wbudowane kontrolery produkcji Texas Instruments, komunikująca się z systemem host przez interfejs PCIe x4 lub PCIe x1. Cztery wbudowane kontrolery zapewniają tu obsługę 16 kanałów USB xHCI SuperSpeed dostępnych na tylnych wyprowadzeniach P3 i P4.
czytaj więcej

    Nowy numer APA