Přechodové obnovovací napětí (TRV) při přerušování malých induktivních proudů vypínači
Analýza přechodových jevů v lineárních systémech pomocí principu superpozice
Při analýze přechodových jevů způsobených přepínacími operacemi v lineárních systémech je princip superpozice mocným nástrojem. Kombinací stacionárního řešení, které existovalo před otevřením obvodu, s přechodovými odpovědmi vyvolanými zdroji krátkozavěrky a otevřeného obvodu, a zohledněním proudů injikovaných skrz kontakty spínače, lze získat komplexní popis přepínacího procesu.
Přechodová analýza otevřených obvodů
Během operace otevření obvodu musí proud tečící skrz kontakty spínače po provedení operace být nulový. Proto se musí proud injikovaný do systému rovnat proudu, který procházel kontakty spínače před otevřením. Jak se kontakty začínají oddalovat, okamžitě vzniká na kontaktech přechodové obnovovací napětí (TRV). TRV se objevuje okamžitě poté, co proud dosáhne nuly, a v reálných systémech trvá obvykle milisekundy. V praxi jsou charakteristiky TRV klíčové pro výkon a spolehlivost vypínačů.
Důležitost přechodového obnovovacího napětí (TRV)
Důkladné porozumění přechodovým jevům spojeným s operacemi vypínačů v elektrických systémech může výrazně zlepšit testovací postupy a zvýšit spolehlivost přepínacího zařízení. Standardy stanovují doporučené charakteristické hodnoty pro simulaci TRV, které pomáhají inženýrům lépe předpovídat a navrhovat chování přepínacích zařízení.
Různé typy přepínání obvodů
Následující diagram znázorňuje TRV na terminálech vypínače při přerušování proudu v velmi jednoduchých obvodech. Každý případ vede k různým vlnovým tvarům, v závislosti na povaze obvodu:
Odporové zatížení: Pro čistě odporová zatížení klesá proud rychle po provedení přepínací operace, což vede k relativně hladkému vlnovému tvaru TRV.
Indukční zatížení: Pro indukční zatížení dosahuje napětí na cívce své maximální hodnoty, když proud dosáhne nuly. Protože cívka ukládá energii, která musí být rozložena na jiné komponenty (např. kondenzátory), dochází k oscilacím. Tyto oscilace jsou způsobeny přenosem energie mezi cívkou a kondenzátorem.
Kondenzátorské zatížení: Pro kondenzátorská zatížení klesá proud postupně po provedení přepínací operace, zatímco napětí rychle stoupá. Vlnový tvar TRV obvykle ukazuje rychle stoupající pulz napětí.
Přerušování malých proudů a jev "current chopping"
V elektrických systémech může přerušování malých proudů vést k jevům známým jako current chopping a virtuální current chopping. Tyto jevy mají významný vliv na přechodové obnovovací napětí (TRV) a mohou způsobit přetlakování a opětovné zapalování.
Normální přerušení vs. current chopping
Normální přerušení: Pokud je proud přerušen přirozeně v bodě nulového průsečíku, jedná se o ideální přepínací operaci. V tomto případě zůstává TRV obvykle v zadaných mezích a nedochází k přetlakování nebo opětovnému zapalování.
Current chopping: Pokud je proud přerušen předčasně, než dosáhne nuly, tento jev se nazývá current chopping. Náhlé přerušení proudu vedou k vytvoření přechodových přetlakování, která mohou způsobit vysokofrekvenční opětovné zapalování. Tento typ nepravidelného přerušení představuje potenciální nebezpečí pro vypínač a systém.
Následky current choppingu
Když vypínač přeruší proud blízko jeho vrcholu, napětí téměř okamžitě stoupá. Pokud toto přetlakování překročí dielektrickou sílu specifikovanou pro vypínač, dojde k opětovnému zapalování. Pokud se tento proces opakuje několikrát, napětí pokračuje v rychlém stoupání v důsledku vysokofrekvenčního opětovného zapalování. Tato vysokofrekvenční oscilace je ovlivněna elektrickými parametry přidruženého obvodu, konfigurací obvodu a návrhem vypínače, což vede k nulovému průsečíku před tím, než skutečný síťový proud dosáhne nuly.
Rozdíl mezi current choppingem a virtuálním current choppingem
Current chopping: Vyskytuje se, když je proud přerušen před dosažením nuly, což vede k přechodovému přetlakování a vysokofrekvenčnímu opětovnému zapalování.
Virtuální current chopping: Vyskytuje se, když je proud přerušen právě před dosažením nuly, i když je velmi blízko nule. To může stále způsobit menší přetlakování a opětovné zapalování.
Srovnání napětí na straně zatížení a TRV
Následující diagram srovnává napětí na straně zatížení a TRV v dvou různých scénářích:
Přerušení v bodě nulového průsečíku proudu: V tomto případě stoupá napětí na straně zatížení postupně a TRV zůstává v zadaných mezích, což zajišťuje normální fungování systému.
Přerušení před bodem nulového průsečíku proudu (current chopping): Zde stoupá napětí na straně zatížení rychle a TRV výrazně narůstá, což může vést k přetlakování a opětovnému zapalování. Je zřejmé, že druhý scénář je vážnější.
Důležitost porozumění current choppingu
Pro lepší porozumění vlivu current choppingu zvažte ignorování efektů ztrát na straně zatížení. Po přerušení proudu v bodě nulového průsečíku je energie uložená na straně zatížení převážně v kondenzátorech, kde napětí dosáhne své maximální hodnoty. Pokud je však proud přerušen před dosažením nuly, energie v kondenzátorech nemůže být plně rozložena, což vede k rychlému stoupání napětí a následným problémům s přetlakováním a opětovným zapalováním.
(a) Ekviivalentní obvod. (b) Přerušení oblouku v bodě nulového průsečíku proudu. (c) Přerušení oblouku před bodem nulového průsečíku proudu.
Current chopping a vysokofrekvenční přechodové jevy
V případě current choppingu může nestabilita oblouku blízko bodu nulového průsečíku proudu vést k toku vysokofrekvenčních přechodových proudů do sousedních sítových komponent. Tento vysokofrekvenční proud se překrývá s menším síťovým proudem, který je efektivně přerušen na nulu. Konkrétně:
Nestabilita oblouku blízko bodu nulového průsečíku proudu: Jak se proud blíží k nule, může oblouk stát nestabilní a generovat vysokofrekvenční přechodové proudy. Tyto proudy se překrývají s již malým síťovým proudem, což dále komplikuje přechodovou odezvu systému.
Vliv vysokofrekvenčních přechodových proudů: Existence vysokofrekvenčních přechodových proudů může způsobit přetlakování a opětovné zapalování, zejména v indukčních zatíženích. Díky rychlým změnám těchto proudů mohou v krátkém čase vytvořit extrémně vysoké vrcholy napětí, což představuje hrozbu pro izolační materiály v systému.
Virtuální current chopping a jeho účinky
V případě virtuálního current choppingu je nestabilita oblouku zhoršena oscilacemi s sousedními fázemi, což vede k generování vysokofrekvenčních proudů i před dosažením nuly. Konkrétně:
Mechanismus virtuálního current choppingu: Virtuální current chopping obvykle nastává, když je proud blízko, ale ještě nedosáhl nuly. V tomto bodě může oblouk interagovat s oscilacemi z sousedních fází, což vede k generování vysokofrekvenčních proudů. To dále destabilizuje systém a zvyšuje riziko opětovného zapalování.
Zaznamenaný jev: Virtuální current chopping byl pozorován v plynných obloucích ve vzduchu, SF6 a oleji. Vakuové oblouky jsou také velmi citlivé na current chopping, protože oblouk v vakuumovém prostředí je více zranitelný vůči vnějším podmínkám, což vede k zvýšené nestabilitě.
Příčiny přerušování a opětovného zapalování
Jevy přerušování a opětovného zapalování, spolu s přidruženými vysokofrekvenčními oscilatorickými přetlakováními, jsou především připisovány návrhu vypínače. Konkrétně:
Návrh pro vysoké přetokové proudy: Vypínače jsou obvykle navrženy tak, aby zvládly vysoké přetokové proudy. Pokud se návrh zaměřuje pouze na efektivní výkon pro vysoké proudy, může být stejně efektivní i pro malé proudy, pokoušeje se je přerušit před jejich přirozeným nulovým průsečíkem.
Nežádoucí následky: Tento přístup k návrhu může vést k current choppingu a opětovnému zapalování, což vede k přetlakování a jiným nežádoucím účinkům. Například přetlakování může poškodit izolaci systému, což může vést k selhání zařízení nebo zkrácení jeho životnosti.
Optimalizace návrhu vypínače
Aby bylo možné efektivně řešit jak malé, tak i velké proudy, by měl návrh vypínače zahrnovat několik funkcí, které zajistí spolehlivý výkon v různých podmínkách. Konkrétní doporučení zahrnují:
Vyvážení výkonu pro malé a velké proudy: Návrh vypínače by měl zohlednit jak malé, tak velké proudy, aby se zabránilo přílišné optimalizaci pro jeden typ na úkor druhého. Například úprava materiálů kontaktů, návrh komory pro uhasení oblouku a strategie řízení mohou pomoci vyvážit výkon v různých úrovních proudu.
Snížení vysokofrekvenčních oscilací: Návrh by měl směřovat k minimalizaci vysokofrekvenčních oscilací, zejména blízko bodu nulového průsečíku proudu. To lze dosáhnout zavedením vhodných tlumičů nebo optimalizací parametrů obvodu, které potlačí vysokofrekvenční přechodové proudy.
Zlepšení výkonu izolace: Aby se zvládl potenciální přetlakování, by měl návrh izolace vypínače mít dostatečnou dielektrickou sílu. Výběr vysokovýkonných izolačních materiálů a optimalizace struktury izolace mohou zajistit spolehlivou izolaci i v extrémních podmínkách.
