Продумываем защиту преобразователя частоты

   Факты выхода из строя частотных преобразователей при коротком замыкании выходных цепей и при наличии функции защиты от короткого замыкания в частотном преобразователе вызывают множество споров как относительно факта работоспособности защиты, так и относительно дополнительных внешних устройств, помогающих защитить частотник.
   При управлении электродвигателем преобразователь частоты измеряет ток в двух или трех выходных фазах (достаточно, чтобы диагностировать сверхток в третьей, но не позволяет обнаружить обрыв фазы), и при превышении тока над установленным номинальным значением выполняет действия по защите электропривода. Если речь идет о сверхтоке, не связанным с КЗ (не резко увеличилась нагрузка на двигателе), может отработать активная защита, которая снижает ток путем уменьшения частоты и напряжения, подаваемого на двигатель. Если активная защита не применяется, то отрабатывает отключающая защита первого уровня (работа подобна термическому расцепителю, обратная квадратичная зависимость от тока по времени при токах до 1,8-2 крат). Если ток достигает значений 1,8-2 крата от номинального, отрабатывает максимально-токовая защита, которая отключает IGBT модули (за время не более 10 мкс), разрывая цепь тока через двигатель.

   Защитные функции, имеющиеся в преобразователе, эффективно функционируют в различных аварийных ситуациях, в том числе и при коротких замыканиях в цепях нагрузки (в силовом кабеле или в электродвигателе), НО выход из строя ПЧ все же возможен при некоторых условиях протекания тока (например при КЗ). Токи перегрузок при замыканиях, а также скорость нарастания тока могут достигать значений, при которых существует опасность выхода из строя преобразователя частоты.
   IGBT-транзисторы, как и диоды выпрямителя преобразователя частоты, по своей природе имеют ограничения по сверхтокам (обычно 6 крат в течение 10мкс), возникающим при коротком замыкании, а также по способности к тепловому нагреву I^2t.
   Первый случай - когда хозяева частотника сами обманывают защиту. При частом возникновении перегруза по току (подклинивающий механизм), защита не дает сбросить ошибку и блокирует пуск преобразователя частоты, пока не определит по тепловой модели разрешающие условия для пуска ПЧ. Отключив питание защита сбрасывает накопленную информацию и введенная в заблуждение разрешает пуск ПЧ. Вновь повторившийся сверхток вызывает разрушающий нагрев IGBT-транзисторов и выход из строя ПЧ.
   Второй случай - короткое замыкание - наихудшая ситуация для ПЧ.
   Скорость нарастания тока при коротком замыкании выхода, в первом приближении, определяется индуктивностью петли короткого замыкания (паразитной индуктивностью шин или проводов до точки замыкания) и напряжением питания выходных IGBT-модулей, а конечный ток суммарным сопротивлением цепи КЗ, самыми большими составляющими которого будет переходное сопротивление контактов коммутационных аппаратов.
   U = 540 В - напряжение на звене постоянного тока, L = 0,2 мкГн - паразитная индуктивность петли короткого замыкания. Скорость нарастания при данных параметрах составляет 2500 А/мкс.
   Таким образом, скорость нарастания тока при коротком замыкании выхода преобразователя весьма велика: за время, меньшее одной микросекунды, ток достигает значения, превышающего номинальное в несколько раз. Нахождение IGBT-транзистора при таком токе, вероятнее всего, приведет к его разрушению даже при исправной защите от короткого замыкания, время срабатывания которой значительно больше длительности процесса нарастания тока – примерно 10 мкс.
   В зависимости от момента возникновения можно классифицировать два типа короткого замыкания, различающихся, соответственно, особенностями протекания тока и степенью токовой нагрузки IGBT-транзистора:
1) IGBT-транзистор включается (открывается) на уже имеющееся короткое замыкание в нагрузке.
2) Короткое замыкание на выходе преобразователя происходит после того, как IGBT-транзистор уже включен.

   В первом варианте ток коллектора транзистора после момента замыкания возрастает по закону интегрирования в индуктивной нагрузке, затем значение тока стабилизируется: ток дальше не растет, транзистор входит в режим самоограничения. Для того, чтобы не произошло теплового разрушения транзистора, длительность тока короткого замыкания должна быть ограничена и для большинства IGBT-модулей она не должна превышать 10 мкс. При предельных режимах работы IGBT-транзистора допустимое количество коротких замыканий составляет количество порядка 10 раз.

   Во втором случае ток коллектора резко увеличивается за доли микросекунды. Процесс нарастания тока в этой фазе неуправляем. Ток транзистора возрастает до весьма высокого уровня Iscmax, и нахождение IGBT-транзистора при таком токе может привести к тепловому перегреву и выходу его из строя за время, меньшее 1 мкс, т.е. еще до начала действия функции защиты, длительность срабатывания которой составляет ≈ 10 мкс.
   Большое влияние на рост тока КЗ оказывает распределенная индуктивность кабеля (для мощности 30 кВт и длины 50 м = 0,24 мкГн/м) вовлеченного в петлю тока КЗ. Скорость тока составит 20 А/мкс, за время 10 мкс ток возрастет на 200 А. Даже если до момента короткого замыкания текущий ток IGBT-транзистора был равен номинальному, т.е.150 А, то достижение тока значения 150 А + 200 А = 350 А не представляет опасности для транзистора (кратность тока в течение 10 мкс равна 6).

   Таким образом в первом случае выход из строя возможен в случае повторных включений, так как при учете кабеля защита все же успевает отключить IGBT-транзистор от тока КЗ, хотя и сокращает ресурс модуля, а во втором случае выход из строя возможен даже при первом появлении КЗ.

   Основным методов борьбы с таким быстрым нарастанием тока служит установка моторного дросселя. Индуктивность даже простейшего dU/dt дросселя составляет 0,12 мГн, что приводит к росту тока равному 2,3 А/мкс при учете кабеля длиной 10м. За время 10 мкс при скорости нарастания 2,2 А/мкс ток IGBT-транзистора вырастет примерно на 23А, что вполне безопасно для IGBT- модуля.
   Многие производители частотных преобразователей предлагают использовать для защиты ПЧ быстродействующие предохранители (OEZ, BUSSMAN) или автоматические выключатели с характеристикой "В" (3-5 крат максимальнотоковая защита) электронного или термомагнитного расцепителя.
   Защитные аппараты для ПЧ решают, в основном, две задачи: предотвращение разрушения, плавления и, что крайне опасно, возгорания изоляции подводящей и приборной электропроводки при сверхтоках, которые могут возникнуть при внутренних коротких замыканиях, а также, по возможности, ограничение токовых нагрузок во входных цепях полупроводниковых приборов ПЧ (выпрямительные мосты).
   Как было просчитано выше, эффективность работы встроенной защиты куда выше эффективности предлагаемых устройств для отключения IGBT-транзисторов для предотвращения выгорания IGBT-модуля, плюс наличие большой емкости на звене постоянного тока частично исключает из петли КЗ "сеть", что сказывается отставанием нарастания тока в цепи питания ПЧ от момента нарастания тока в самом IGBT-модуле. Остается только защита от возникновения пожара и сверхтоков в неуправляемой части ПЧ (которой может стать и цепь IGBT модулей при тепловом пробое "на короткую").
   Возникают вопросы, - насколько защитный аппарат предохраняет выпрямительный мост от выхода из строя? Что лучше - плавкий предохранитель или автоматический выключатель?
  Характеристики срабатывания электроаппаратов, предлагаемых производителями ПЧ в  качестве защитных средств ПЧ, - быстродействующих плавких предохранителей Bussman JJS и стандартных автоматических выключателей с характеристикой «В» комбинированного расцепителя, например, фирмы ABB говорят о равнозначности защиты. Если взять за критерий отбора ток срабатывания электроаппарата для времени срабатывания 0,01 сек. (длительность полупериода сетевого питающего напряжения частотой 50 Гц), то, практически, плавкие быстродействующие предохранители и автоматические выключатели с характеристикой «В» равнозначны.
   При выборе аппарата защиты следует учесть тот факт, что если в аппарате реализована защита I^2t, то следует номинальный ток аппарата выбирать несколько больше, чем номинальный входной ток ПЧ. Это обусловлено нелинейным (неравномерным) потреблением тока из сети преобразователем частоты, что выражается ошибочным срабатыванием защиты за счет проскакивания импульсов тока, большего чем номинальный, который защита интегрирует как ток перегрузки. Максимальнотоковая защита аппаратов зачастую справляется с импульсом зарядки конденсаторов звена постоянного тока, а I^2t защита аппарата выше или равна собственной I^2t защиты ПЧ, что тоже не приведет к неприятному сюрпризу.
   Ток КЗ через питающую сеть обусловлен индуктивностью и сопротивлением самой сети, таким образом для случаев подключения ПЧ к трансформатором мощностью выше 1000 КВА производителем рекомендуется установка сетевого дросселя для предотвращения ситуации неотключения КЗ аппаратом защиты (ток выше Icu максимального тока отключения аппарата ниже планируемого тока КЗ).
   По факту применение более эффективных средств защиты по входу способствует сохранности не только питающей сети, но и плат частотного преобразователя при КЗ на выходе, что выльется только в замену силовых модулей, а не полной заменой преобразователя частоты.