Защита от короткого замыкания в нагрузке выходных цепей у преобразователей частоты

В данной статье раскрывается механизм функционирования защиты от короткого замыкания выходных цепей в преобразователях частоты и приводятся практические рекомендации для безаварийной работы преобразователей частоты. Текст основан на опыте эксплуатации преобразователей частоты компании Веспер и других производителей.

Различные токовые перегрузочные режимы преобразователей частоты при эксплуатации
Аварийные (перегрузочные) токовые режимы преобразователей частоты классифицируются в зависимости от степени превышения его выходного тока над номинальным значением и от скорости нарастания тока. Аварийные сообщения на дисплее преобразователя позволяют пользователю диагностировать причины токовых перегрузок.
Рассмотрим действия преобразователя частоты и аварийные сообщения при перегрузках по току во время управления электродвигателем.

"Медленная" тепловая защита

При небольшом превышении выходного тока выходное напряжение отключается через некоторое время (от 1 мин до 8 мин, в зависимости от уставки пользователя) и на дисплее появляются аварийные сообщения.
Нарастание тока может происходить медленно (в течение нескольких минут) или быстро (в течение секунд). Протекающий повышенный ток может быть относительно стабильным или изменяющимся (как правило). Решение об аварийном останове двигателя и отключении выходного напряжения принимается процессором преобразователя частоты на основе измерения выходного тока за некоторый промежуток времени, например, за 1 минуту.
Возможная причина — повышенная механическая нагрузка на валу электродвигателя в результате:

нарушения технологического процесса путем перегрузки рабочего механизма;
недостаточной мощности выбранного электродвигателя;
появления повышенного момента сопротивления в самом электродвигателе (например, в подшипниках) или в сопряженном с ним механизме;
и др.

"Быстрая" тепловая защита

При достижении выходным током значения 1,8 х Iн преобразователь быстро (в течение 1-2 секунд) отключает выходное напряжение — это "быстрая" тепловая защита.
Возможная причина — резкое увеличение механической нагрузки в результате:

заклинивания вала электродвигателя в результате поломки или разрушения сопряженного с ним механизма;
попытки плавно разогнать электродвигатель, вращающийся посторонней силой в обратную сторону (например, вентилятор, вращаемый потоком воздуха) — режим противовключения;
попытки преобразователя пустить застопоренный какой-либо внешней силой электродвигатель;
и др.

Мгновенная защита

Мгновенное (от долей микросекунды до нескольких микросекунд) нарастание импульсного тока в выходных цепях преобразователя до значений, превышающих номинальное значение примененного IGBT-модуля в несколько раз в результате короткого замыкания. В случае обнаружения короткого замыкания в выходных цепях преобразователь частоты мгновенно (за время не более 10 мкс) отключает выходное напряжение.
Причины мгновенного нарастания импульсного тока, происходящие при этом физические процессы в IGBT-транзисторах и работа функции защиты от короткого замыкания в выходных цепях преобразователя частоты изложены ниже.

Аварийные режимы работы преобразователя частоты при коротком замыкании выходных цепей. Аварийные режимы работы IGBT-транзисторов при коротком замыкании выходных цепей, в зависимости от места и момента его возникновения, могут быть следующими.

Короткое замыкание на выходе преобразователя частоты (или в непосредственной близости от его выходных клемм). Может возникнуть, например, при нарушении в монтаже, механическом или другом повреждении силового кабеля, повлекшем замыкание фаз между собой либо на корпус. 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. В зависимости от момента возникновения можно классифицировать два типа короткого замыкания, различающихся, соответственно, особенностями протекания тока и степенью токовой нагрузки IGBT-транзистора.

IGBT-транзистор включается (открывается) на уже имеющееся короткое замыкание в нагрузке. В этом случае скорость возрастания тока короткого замыкания в выходной цепи транзистора определяется индуктивностью петли короткого замыкания и характеристиками управляющего напряжения на входе IGBT-транзистора — длительностью фронта, уровнем напряжения управления на затворе и др. 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. При протекании тока короткого замыкания в режиме самоограничения на транзисторе выделяется большая пиковая мощность, происходит его разогрев, и существует реальная опасность его разрушения. Для того, чтобы не произошло теплового разрушения транзистора, длительность тока короткого замыкания должна быть ограничена и для большинства IGBT-модулей не должна превышать 10 мкс. Через время, не превышающее 10 мкс, в управляющем драйвере срабатывает быстродействующая защита и, путем выключения управляющего сигнала, прекращает протекание тока в транзисторе. Следует также отметить, что количество импульсов короткого замыкания, которое способен выдержать современный IGBT-транзистор до разрушения, ограничено и существенно зависит от условий, при которых короткое замыкание происходит. При предельных режимах работы IGBT-транзистора допустимое количество коротких замыканий составляет порядка 10 раз.