Предохранители Bussmann

Современные полупроводниковые элементы, к которым относятся быстродействующие диоды, транзисторы, запираемые тиристоры, а также твердотельные реле и IGBT-модули, широко распространены в силовых агрегатах. Несмотря на маленькие размеры, они позволяют управлять большой мощностью, однако, в отличие от электромеханических устройств, они довольно чувствительны к перенапряжениям и перегрузкам. При возникновении короткого замыкания в цепи возникают сверхтоки, величина которых может достигать сотен тысяч ампер, тогда как предел для полупроводниковых элементов не превышает нескольких тысяч ампер. Поэтому они нуждаются в защите от КЗ так же, как и сама аппаратура.

Критерии защиты

Существует ряд основных требований к защите полупроводниковых элементов. Она должна обеспечивать:

• мгновенное прерывание сверхтоков при их возникновении;

• ограничение тепловой энергии, проходящей к прибору при отключении электрической цепи;

• ограничение тока, проходящего через прибор.

При быстром прерывании сверхтоков в электроцепи с индуктивностью напряжение резко повышается, что может привести к выводу из строя даже тех элементов, которым свойственна высокая надежность – например, диодного моста.

В связи с этим защитное устройство, прерывая ток чрезмерной величины, должно одновременно не допускать повреждения компонентов цепи в результате перенапряжения. Хорошее защитное устройство:

• не нуждается в специальном обслуживании;

• не срабатывает при нормальном переходном процессе, а также, когда величина тока соответствует номиналу;

• отличается долговечностью.

Всем этим требованиям отвечают быстродействующие предохранители, которые выпускаются английской компанией Bussmann.

Быстродействующие предохранители Bussmann: устройство и особенности работы

В отличие от обычных предохранителей, защищающих от повреждения оборудование, в котором нет полупроводниковых элементов, быстродействующий предохранитель Bussmann обеспечивает защиту именно силовых полупроводников. На корпус таких приборов нанесена маркировка в виде букв aR, а также символов диода и предохранителя, соединенных между собой последовательно.

Благодаря особой конструкции быстродействующие предохранители позволяют максимально уменьшить время срабатывания, свести к минимуму величину напряжения дуги и тепловой энергии (I²t), а также пропускаемого пикового тока. Их плавкие вставки конструктивно отличаются от тех, которыми снабжены обычные промышленные защитные элементы аналогичного номинала, и более устойчивы к воздействию высоких температур. Исходя из этого, в ходе конструирования быстродействующих предохранителей разработчиками были учтены высокая скорость процесса, а также значительное тепловыделение.

Корпус

В момент срабатывания предохранителя внутри него происходит мощный выброс высокотемпературной плазмы. Если корпус не удержит расширяющиеся газы внутри, то это приведет к повреждению окружающего оборудования, а также травмированию персонала. На нашем канале в Youtube ItecsRu есть видео взрыва бракованного предохранителя. Поэтому для изготовления корпусной части предохранителей Буссманн используются материалы высокого класса, способные к эффективному рассеиванию тепла и выдерживающие без вреда для себя ударные нагрузки. Для предохранителей, работающих на токах в тысячи ампер, применяется специальное водяное охлаждение.

Наполнитель

Большую роль в обеспечении безопасного срабатывания элемента играет его наполнитель. Для наполнения используется кварцевый песок, тщательно подобранный по размеру частиц. Если песчинки имеют разный размер, слишком мелкие или же, напротив, крупные, то они не будут плотно прилегать друг к другу. В результате струя газа, который образуется в ходе плавления вставки, наберет высокую скорость, практически не замедляясь при прохождении через наполнитель. Это приведет к тому, что корпус предохраняющего прибора попросту разорвется.

Во избежание этого при изготовлении предохранителей Бассманн для наполнения применяется калиброванный кварцевый песок. Подбор калибра наполнителя осуществляется индивидуально, в зависимости от типа защитного элемента.

В процессе сборки быстродействующего предохранителя его корпус плотно заполняется кварцевым песком с помощью специального вибростанка. По окончании сборки все готовые приборы просвечиваются рентгеном для определения наличия пустот. Это также позволяет проверить, правильно ли собраны все составляющие.

Ограничение тока

Еще одно немаловажное свойство быстродействующих элементов защиты цепи, кроме скорости срабатывания – способность к ограничению тока. Традиционные защитные автоматы при перегрузке не всегда обеспечивают мгновенное прекращение подачи питания. В результате сверхтоки КЗ в течение некоторого времени протекают по цепи, становясь причиной перегрева изоляционного слоя кабелей с его последующим разрушением, вызывая взрыв элементов сети, а иногда и приводя к пожару.

Если же в цепочку включен быстродействующий предохранитель, он обеспечивает ее разрыв прежде, чем ток и напряжение достигнут максимальной величины. Это позволяет уберечь подсоединенные компоненты от разрушительных перегрузок и не допустить их выхода из строя.

Чтобы обеспечить полноценную защиту сети, предохраняющие элементы нужно устанавливать вместе с автоматами, подключая их последовательно. Комбинированную защиту обеспечивают приборы Bussmann, в которых плавкая вставка совмещена с автоматическим выключателем.

Подбор номинала

Чтобы прибор для защиты полупроводниковых устройств работал корректно, очень важно, чтобы его номинал был подобран правильно. Это значение зависит от характеристик защищаемой электроцепи, а также от ряда внешних факторов. Так, если температура окружающего воздуха несколько повышена (это бывает при закрытом монтаже, а также, когда вблизи от места работ расположены предметы, излучающие тепло), защитный элемент должен иметь повышенный номинал.

Если же работа быстродействующего предохранителя происходит на холоде, или происходит его принудительное охлаждение под воздействием воздушного потока, номинал должен быть понижен. На выбор номинала, кроме того, оказывает влияние частота и плотность тока в контактной площадке, продолжительность импульсов тока перегрузки и их частота, а также атмосферное давление (если высота составляет более 2 км).

Подбирая номинал защитных элементов для схем с IGBT, следует учесть нюансы их работы на высоких частотах, к которым относится эффект близости проводников, а также скин-эффект. В соответствии с этим необходимо применять коэффициенты поправок.

Полупроводники вместе с быстродействующими элементами для их защиты применяются:

• в преобразователях частоты для электрических моторов;

• в аппаратах плавного запуска;

• в индукционных печах;

• в приводах электротока (как постоянной, так и переменной величины);

• в преобразователях напряжения и других устройствах;

• для электролиза.

Предохранители, разработанные компанией Bussmann, кроме того, используются в выпрямителях, в схемах зарядки аккумуляторных батарей, а также инверторах и преобразователях частоты с IGBT.

Особенности защиты электросхем с IGBT

Обеспечить надежную защиту таких схем довольно непросто. Дело в том, что при работе силовых транзисторов показатели их напряжения и тока приближены к верхним пределам. При выходе этих параметров за границы рабочего диапазона даже быстродействующие защитные элементы могут не успеть сработать, поскольку время перегрузки совсем мало. Результатом станет поломка транзистора и возникновение сверхтоков КЗ, так как пробитый переход имеет очень низкое сопротивление.

Под воздействием сверхтоков короткого замыкания изоляционный слой кабелей начинает плавиться. Нередко транзистор взрывается, из-за чего окружающие его элементы выходят из строя, а в оборудовании возникает пожар. Чтобы не допустить этого, быстродействующие предохранители следует задействовать в каждой электроцепи, в которую включен полупроводниковый элемент. Возможно, что модуль IGBT все же сгорит, но предохранитель сможет ограничить рост выделяющейся энергии и не допустить дальнейших разрушений.

Быстродействующие предохранители для схем с IGBT: особенности выбора

БДП, выпускаемые производителем Bussmann для схем с IGBT, имеют различные варианты держателей как для горизонтального, так и вертикального монтажа. Добиться уменьшения числа шин в электроцепи и, соответственно, снижения общей индуктивности можно, установив такой предохранитель и press-pack полупроводник в общем устройстве. Уменьшить энергопотери можно также с помощью параллельного включения защитных приборов.

Существует и другая проблема, характерная для IGBT, выполненных в корпусе из пластика. Для внутренних соединений таких устройств используется тонкая алюминиевая проволока. При возникновении неисправности она начинает плавиться, и это становится причиной образования дуги, под воздействием которой пластиковая корпусная часть нередко отделяется от подложки. Корпус модуля при этом оказывается поврежденным.

Чтобы избежать этого, БДП необходимо выбирать с тем учетом, чтобы величина его тепловой энергии (I²t) была меньше, чем выдерживает полупроводник. Выбор осложняется тем, что информацию по величине тепловой энергии зачастую не вносят в технические документы. К тому же, из-за нелинейной вольтамперной характеристики, свойственной полупроводникам, мгновенная рассеиваемая мощность и квадрат тока не являются пропорциональными. Поэтому величина тепловой энергии для полупроводников тем меньше, чем короче импульс – постоянной она не является. Быстродействующий предохранитель в этом случае нужно выбирать так, чтобы показатель его тепловой энергии был минимально возможным.

При повреждении соединительных кабелей или модуля IGBT напряжение и токи большой величины, образующиеся в силовой части, воздействуют на схему управления, что может привести к выходу последней из строя. Избежать этого можно, используя защитные элементы с максимально высоким быстродействием, способные работать в электроцепях постоянного тока.

Быстродействующие предохранители для схем с диодами и тиристорами

БДП также обеспечивают защиту от сверхтоков КЗ схем, в которые параллельно включены диоды и тиристоры. Их устанавливают в крупных выпрямительных агрегатах, которые должны функционировать непрерывно. При этом защитные элементы используются в каждой ветви электросхемы. Благодаря такому решению, даже если какой-нибудь из диодов или тиристоров выйдет из строя, работа общей схемы не будет нарушена. Самое главное в таком случае – правильно подобрать предохранитель по номиналу. Величина его тепловой энергии I²t должна быть меньше, чем параметр разрушения полупроводника. Кроме того, при отключении своей цепи он не должен вызывать срабатывания других предохранителей, установленных на исправных участках.

Недостатки быстродействующих предохранителей

Стоит отметить, что включение таких приборов в схему хоть и обеспечивает высокую степень защиты, но вместе с тем, как это обычно и бывает, сопряжено с побочными эффектами. К этим недостаткам следует отнести:

• увеличение энергопотерь, что в отдельных случаях вынуждает использовать принудительное охлаждение;

• дополнительная индуктивность, увеличивающая временную константу. К этому эффекту приводит и использование обычных предохранителей, но в ВЧ-схемах, где применяются быстродействующие предохранители, это становится особенно важным;

• конструктивные особенности быстродействующих предохранителей позволяют защитить цепь только от сверхтоков, возникших в результате КЗ. Для защиты от перегрузок нужно использовать другие элементы, например, последовательно включенные автоматы;

• повышение стоимости устройства.

Однако в сравнении с положительными свойствами таких защитных элементов имеющиеся минусы несущественны, и схемы, в которые БДП включены, отличаются высокой надежностью. Поэтому использование последних полностью себя оправдывает.

Заключение

Быстродействующие предохранители являются эффективным методом защиты схем с мощными полупроводниковыми приборами. Даже если в отдельных случаях такой прибор не может спасти защищаемую цепь от перегорания, то он позволяет не допустить сопутствующих повреждений вплоть до взрыва оборудования в целом, что может привести не только к существенным материальным потерям, но и создаст опасность для жизни людей.

На сайте интернет-магазина DIP8.RU представлен большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann. В каталоге можно подобрать и купить по доступной цене низковольтный защитный элемент для любой полупроводниковой цепи. Здесь представлены различные серии предохранителей: Eaton Bussmann, Cooper Bussmann Fuse и др. Весь товар сертифицирован и соответствует действующим стандартам. Некоторые модели сертифицированы для специального применения. Так, некоторые серии имеют сертификат ТР ТС 001, допускающий использование предохранителей Bussmann на железнодорожном транспорте Российской Федерации. На складе в Москве всегда есть в наличии большой ассортимент быстродействующих предохранителей Bussmann.