Содержание
Авт, доктор Стефан Бенкхоф (Dr. Stefan Benkhof, менеджер-маркетолог EPCOS/TDK).
Перевод — Дмитрий Кузнецов, руководитель службы технической поддержки ООО «АЕДОН».
Высокие значения пусковых токов повсеместно можно встретить при работе такого оборудования, как системы привода, инверт е ры или в источник ах электропитания в момент включения. Поскольку в результате протекания большого тока выходу из строя подвержены, например, выпрямители преобразователей напряжения или предохранители, необходимо предпринять меры поуменьшению тока (рисунок 1) . Существует по крайней мере два метода ограничения пускового тока — пассивный и активный. В первом случае — это устройство защиты (ограничителя пускового тока — ОПТ ), устанавливаемое последовательно в цепь электропитания, во втором — использование схемы активного шунта, срабатывающей после того, как то к достигнет безопасного значения. Выбор метода ограничения сводится к конкретному применению и зависит от множества факторов: требуемой мощности, частотных характеристик броска тока, рабочей температуры окружающей среды и стоимости изделия.
Пассивный метод ограничения пускового тока.
Для преобразователей напряжения номинальной мощностью до нескольких Ватт наиболее приемлемым решением может служить включение малоомного резистора последовательно с нагрузкой.
NTC -термистор имеет высокое омическое сопротивления при низких температурах корпуса, что позволяет эффективно рассеивать пиковую составляющую пускового тока, и низкое сопротивление — при высоких температурах. В результате поглощения тока нагрузки и последующего саморазогрева в нормальных климатических условиях (при «комнатной» температуре окружающей среды) сопротивление термистора падает до нескольких процентов от номинального значения. Это свойство позволяет уменьшить выделяемую на термисторе мощность при дальнейшем постоянном токе нагрузки, когда конденсатор-накопитель полностью заряжен. В целом, NTC -термистор наиболее дешевый и простой по схемотехнической реализации вариант (рисунок 2).
При разработке источников питания все большее внимание уделяется уменьшению потерь мощности везде, где это возможно. В случае, когда номинальная мощность источника превышает 500Вт, эти недостатки становятся более очевидными. Если ОПТ включен на протяжении всего времени протекания тока, потери энергии становятся значительными. Увеличение номинальной мощности устройства и увеличение времени его запуска приводят к появлению нежелательных дополнительных энергетических потерь. Если предположить, что рассеиваемая мощность на NTC -термисторе составляет порядка 1% от общей мощности преобразователя, а КПД последнего равен 92%, то около 12,5% всех энергетических потерь придется на NTC -термистор.
Еще одним методом является применение активного ограничителя пускового тока (АОПТ) с использованием реле или симисторов. В зависимости от сферы применения схема активного ограничения пускового тока может содержать мощный резистор, NTC -термистор или позистор ( PTC -термистор с положительным температурным коэффициентом) в качестве компонента-ограничителя (рисунок 3). Позистор, например, используется в бортовых зарядных устройствах с подключаемыми гибридными или электрическими двигателями, когда требуется передать энергию мощностью в несколько киловатт. Преимущества АОПТ проявляются как на мощностях выше 500Вт, так и на меньших мощностях в различных сферах применения. Хотя стоимость АОПТ заметно выше, такой подход позволяет не только уменьшить потери энергии, но и применить менее мощные и, как следствие, более дешевые переключатели и полупроводники.
Для некоторых применений позистор демонстрирует самые лучшие характеристики в качестве ОПТ. Поскольку температура NTC -термистора зависит от температуры окружающей среды, при низких температурах его сопротивление выше, соответственно ток заряда накопителя ниже и время выхода на режим больше. С другой стороны, повышенная температура окружащей среды лишает NTC -термистор возможности ограничить пусковой ток вследствие его низкого сопротивления. Поэтому, такой подход не востребован для применений, где требуется широкий температурный диапазон. Для NTC -термисторов время остывания, после которого возможно произвести повторное включение с эффективным ограничением тока, варьируется от 30 до 120 с в зависимости от применения, типа крепления и температуры окружающей среды. Для некоторых применений не требуется продолжительного остывания, где происходит быстрый активный разряд конденсаторов в цепи постоянного тока, например, в инверторах для новых стиральных машин или сушилок. Однако, эффективное применение АОПТ в аппаратуре, где присутствуют короткие перерывы напряжения, может оказаться невозможным в связи с тем, что сопротивление термистора при каждом случае включения будет оставаться низким. В обоих случаях позисторы фирмы EPCOS будут являться эффективным средством ограничения пускового тока.
В НКУ позистор работает как омическое сопротивление номиналом от 20 до 500 Ом (в зависимости от типа). Этого сопротивления хватает для ограничения пускового тока. Как только накопитель полностью заряжен, позистор шунтируется короткозамкнутым реле.
В случае выхода из строя элементов цепи заряда конденсатора, позистор выполняет защитную функцию цепи нагрузки. При протекании тока через элемент, его сопротивление многократно возрастает, и, благодаря наличию таких защитных свойств, позистор может служить защитой от короткого замыкания конденсатора и в случае, если не сработал шунт после полного заряда накопительного конденсатора (отказ коммутирующего элемента).
Все эти явления отказов вызывают резкий скачок температуры ограничителя тока. Для полной уверенности, что эффекты КЗ и отказ реле не причинят вреда аппаратуре, следует устанавливать именно позистор или мощный резистор. Позисторы фирмы EPCOS не требуют предварительного ограничения тока, так как обладают защитными свойствами, и могут устанавливаться непосредственно в питающую сеть с соответсвующим номиналом пробивного напряжения. На рисунке 4 представлен процесс ограничения тока в результате короткого замыкания конденсатора.
В результате позисторы фирмы EPCOS (рисунок 5), применяющиеся в составе АОПТ, обладают замечательными свойствами:
— хорошая устойчивость к повышенной температуре окружающей среды.
— эффективное ограничение тока сразу же после отключения нагрузки (отсутствует необходимость охлаждения перед повторным запуском как у NTC -термисторов).
— собственная защита от перегрузки по току, вызванной аварийными ситуациями.
В таблице 1 представлен номенклатурный ряд элементов, основные параметры и наличие в наборах с образцами.
Для всех моделей ОПТ диапазон температур составляет от -20…до +85 С при работе на максимальном пробивном напряжении
График изменения сопротивления приведен в data sheet на сайте EPCOS для температурного диапазона -40…+180 С.
Список используемой литературы:
3. Bodo’s Power System, February 2014, page 34
Авт, доктор Стефан Бенкхоф (Dr. Stefan Benkhof, менеджер-маркетолог EPCOS/TDK).
Перевод — Дмитрий Кузнецов, руководитель службы технической поддержки ООО «АЕДОН».
Высокие значения пусковых токов повсеместно можно встретить при работе такого оборудования, как системы привода, инверт е ры или в источник ах электропитания в момент включения. Поскольку в результате протекания большого тока выходу из строя подвержены, например, выпрямители преобразователей напряжения или предохранители, необходимо предпринять меры поуменьшению тока (рисунок 1) . Существует по крайней мере два метода ограничения пускового тока — пассивный и активный. В первом случае — это устройство защиты (ограничителя пускового тока — ОПТ ), устанавливаемое последовательно в цепь электропитания, во втором — использование схемы активного шунта, срабатывающей после того, как то к достигнет безопасного значения. Выбор метода ограничения сводится к конкретному применению и зависит от множества факторов: требуемой мощности, частотных характеристик броска тока, рабочей температуры окружающей среды и стоимости изделия.
Пассивный метод ограничения пускового тока.
Для преобразователей напряжения номинальной мощностью до нескольких Ватт наиболее приемлемым решением может служить включение малоомного резистора последовательно с нагрузкой.
NTC -термистор имеет высокое омическое сопротивления при низких температурах корпуса, что позволяет эффективно рассеивать пиковую составляющую пускового тока, и низкое сопротивление — при высоких температурах. В результате поглощения тока нагрузки и последующего саморазогрева в нормальных климатических условиях (при «комнатной» температуре окружающей среды) сопротивление термистора падает до нескольких процентов от номинального значения. Это свойство позволяет уменьшить выделяемую на термисторе мощность при дальнейшем постоянном токе нагрузки, когда конденсатор-накопитель полностью заряжен. В целом, NTC -термистор наиболее дешевый и простой по схемотехнической реализации вариант (рисунок 2).
При разработке источников питания все большее внимание уделяется уменьшению потерь мощности везде, где это возможно. В случае, когда номинальная мощность источника превышает 500Вт, эти недостатки становятся более очевидными. Если ОПТ включен на протяжении всего времени протекания тока, потери энергии становятся значительными. Увеличение номинальной мощности устройства и увеличение времени его запуска приводят к появлению нежелательных дополнительных энергетических потерь. Если предположить, что рассеиваемая мощность на NTC -термисторе составляет порядка 1% от общей мощности преобразователя, а КПД последнего равен 92%, то около 12,5% всех энергетических потерь придется на NTC -термистор.
Еще одним методом является применение активного ограничителя пускового тока (АОПТ) с использованием реле или симисторов. В зависимости от сферы применения схема активного ограничения пускового тока может содержать мощный резистор, NTC -термистор или позистор ( PTC -термистор с положительным температурным коэффициентом) в качестве компонента-ограничителя (рисунок 3). Позистор, например, используется в бортовых зарядных устройствах с подключаемыми гибридными или электрическими двигателями, когда требуется передать энергию мощностью в несколько киловатт. Преимущества АОПТ проявляются как на мощностях выше 500Вт, так и на меньших мощностях в различных сферах применения. Хотя стоимость АОПТ заметно выше, такой подход позволяет не только уменьшить потери энергии, но и применить менее мощные и, как следствие, более дешевые переключатели и полупроводники.
Для некоторых применений позистор демонстрирует самые лучшие характеристики в качестве ОПТ. Поскольку температура NTC -термистора зависит от температуры окружающей среды, при низких температурах его сопротивление выше, соответственно ток заряда накопителя ниже и время выхода на режим больше. С другой стороны, повышенная температура окружащей среды лишает NTC -термистор возможности ограничить пусковой ток вследствие его низкого сопротивления. Поэтому, такой подход не востребован для применений, где требуется широкий температурный диапазон. Для NTC -термисторов время остывания, после которого возможно произвести повторное включение с эффективным ограничением тока, варьируется от 30 до 120 с в зависимости от применения, типа крепления и температуры окружающей среды. Для некоторых применений не требуется продолжительного остывания, где происходит быстрый активный разряд конденсаторов в цепи постоянного тока, например, в инверторах для новых стиральных машин или сушилок. Однако, эффективное применение АОПТ в аппаратуре, где присутствуют короткие перерывы напряжения, может оказаться невозможным в связи с тем, что сопротивление термистора при каждом случае включения будет оставаться низким. В обоих случаях позисторы фирмы EPCOS будут являться эффективным средством ограничения пускового тока.
В НКУ позистор работает как омическое сопротивление номиналом от 20 до 500 Ом (в зависимости от типа). Этого сопротивления хватает для ограничения пускового тока. Как только накопитель полностью заряжен, позистор шунтируется короткозамкнутым реле.
В случае выхода из строя элементов цепи заряда конденсатора, позистор выполняет защитную функцию цепи нагрузки. При протекании тока через элемент, его сопротивление многократно возрастает, и, благодаря наличию таких защитных свойств, позистор может служить защитой от короткого замыкания конденсатора и в случае, если не сработал шунт после полного заряда накопительного конденсатора (отказ коммутирующего элемента).
Все эти явления отказов вызывают резкий скачок температуры ограничителя тока. Для полной уверенности, что эффекты КЗ и отказ реле не причинят вреда аппаратуре, следует устанавливать именно позистор или мощный резистор. Позисторы фирмы EPCOS не требуют предварительного ограничения тока, так как обладают защитными свойствами, и могут устанавливаться непосредственно в питающую сеть с соответсвующим номиналом пробивного напряжения. На рисунке 4 представлен процесс ограничения тока в результате короткого замыкания конденсатора.
В результате позисторы фирмы EPCOS (рисунок 5), применяющиеся в составе АОПТ, обладают замечательными свойствами:
— хорошая устойчивость к повышенной температуре окружающей среды.
— эффективное ограничение тока сразу же после отключения нагрузки (отсутствует необходимость охлаждения перед повторным запуском как у NTC -термисторов).
— собственная защита от перегрузки по току, вызванной аварийными ситуациями.
В таблице 1 представлен номенклатурный ряд элементов, основные параметры и наличие в наборах с образцами.
Для всех моделей ОПТ диапазон температур составляет от -20…до +85 С при работе на максимальном пробивном напряжении
График изменения сопротивления приведен в data sheet на сайте EPCOS для температурного диапазона -40…+180 С.
Список используемой литературы:
3. Bodo’s Power System, February 2014, page 34
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Что такое пусковой ток и как его ограничить
Пусковой ток – это максимальный ток, потребляемый электрической цепью во время ее включения. Значение пускового тока намного выше, чем установившийся ток цепи, и этот высокий ток может повредить устройство или привести в действие автоматический выключатель. Пусковой ток обычно появляется во всех устройствах, где присутствует магнитный сердечник, таких как трансформаторы, промышленные двигатели и т. д. Пусковой ток также известен как входной импульсный ток или импульсный ток включения.
Почему появляется пусковой ток
Есть причина появления пускового тока. Подобно некоторым устройствам или системам, которые имеют развязывающий конденсатор или сглаживающий конденсатор, при запуске потребляется большое количество тока для их зарядки. Ниже приведенная диаграмма даст вам представление о разнице между пусковым, пиковым и установившимся током цепи.
Пиковый ток: это максимальное значение тока, достигаемое сигналом в положительной или отрицательной области.
Ток установившегося состояния: он определяется как ток в каждом интервале времени, который остается постоянным в цепи. Ток установившегося состояния достигается, когда di/dt = 0, что означает, что ток остается неизменным во времени.
Особенности пускового тока: появляется мгновенно, когда устройство включается; появляется на короткий промежуток времени; выше номинального значения цепи или устройства.
Пусковой ток трансформатора
Пусковой ток трансформатора определяется как максимальный мгновенный ток, потребляемый трансформатором, когда вторичная сторона не нагружена или находится в состоянии разомкнутой цепи. Этот бросок тока вредит магнитным свойствам сердечника и вызывает нежелательное переключение автоматического выключателя трансформатора.
Величина пускового тока зависит от точки волны переменного тока, в которой запускается трансформатор. Если трансформатор (без нагрузки) включается, когда напряжение переменного тока достигает своего пика, тогда пусковой ток не возникает при запуске, и если трансформатор (без нагрузки) включается, когда напряжение переменного тока проходит через ноль, то значение броска ток будет очень высоким, и он также будет превышать ток насыщения, как вы можете видеть на изображении выше.
Пусковой ток двигателя
Как и трансформатор, асинхронный двигатель не имеет непрерывного магнитного пути. Сопротивление асинхронного двигателя высокое из-за воздушного зазора между ротором и статором. Следовательно, из-за такого характера индуктивного устройства с высоким сопротивлением требуется большой ток намагничивания для создания вращающегося магнитного поля при запуске. График ниже показывает пусковые характеристики двигателя при полном напряжении.
Как вы можете видеть на графике, пусковой ток и пусковой момент очень высоки в начале. Этот высокий пусковой ток может повредить электрическую систему, а начальный высокий крутящий момент может повлиять на механическую систему двигателя. Если уменьшить начальное значение напряжения на 50%, это может привести к снижению крутящего момента двигателя на 75%. Таким образом, для преодоления этих проблем используются схемы питания с плавным пуском.
Как ограничить пусковой ток
Всегда следует помнить о пусковом токе в асинхронных двигателях, трансформаторах и в электронных цепях, которые состоят из катушек индуктивности, конденсаторов или сердечников. Как упоминалось ранее, пусковой ток – это максимальный пиковый ток, наблюдаемый в системе, и он может быть в два-десять раз больше нормального номинального тока. Этот нежелательный всплеск тока может повредить устройство, пусковой ток может вызвать срабатывание выключателя при каждом включении. Регулировка допуска выключателя может помочь нам, но компоненты должны выдерживать пиковое значение.
Находясь в электронной схеме, некоторые компоненты должны выдерживать высокие значения пускового тока в течение короткого промежутка времени. Но некоторые компоненты сильно нагреваются или повреждаются, если значение при быстром запуске очень велико. Поэтому лучше использовать схему защиты от пускового тока при проектировании электронной схемы или печатной платы.
Для защиты от пускового тока вы можете использовать активное или пассивное устройство. Выбор типа защиты зависит от частоты пускового тока, производительности, стоимости и надежности.
Вы можете использовать NTC-термистор (с отрицательным температурным коэффициентом), который является пассивным устройством, работает как электрический резистор, сопротивление которого очень высоко при низкотемпературном значении. Термистор NTC соединяется последовательно с входной линией питания. Обладает высокой устойчивостью при температуре окружающей среды. Поэтому, когда мы включаем устройство, высокое сопротивление ограничивает пусковой ток, который протекает в систему. По мере непрерывного протекания тока температура термистора повышается, что значительно снижает сопротивление. Следовательно, термистор стабилизирует пусковой ток и позволяет постоянному току течь в цепь. Термистор NTC широко используется для ограничения тока из-за его простой конструкции и низкой стоимости. У него также есть некоторые недостатки, например, нельзя полагаться на термистор в экстремальных погодных условиях.
Активные устройства ограничения пускового тока стоят дороже, а также увеличивают размер системы или схемы. Они состоят из чувствительных компонентов, которые переключают высокий входящий ток. Некоторые из активных устройств – устройства плавного пуска, регуляторы напряжения и преобразователи постоянного тока.
Эти средства защиты используются для защиты как электрической, так и механической системы путем ограничения мгновенного пускового тока. На приведенном ниже графике показано значение пускового тока со схемой защиты и без схемы защиты. Мы ясно видим, насколько эффективна защита от пускового тока.
Как измерить пусковой ток
Сегодня на рынке представлено большое количество клещей (мультиметров), которые обеспечивают измерение пускового тока. Также вы можете использовать токовые клещи Fluke 376 FC True-RMS для измерения пускового тока. Иногда пусковой ток показывает значение, которое выше номинального значения автоматического выключателя, но, тем не менее, автоматический выключатель не отключается. Причина этого заключается в том, что автоматический выключатель работает по кривой зависимости тока от времени, например, если бы вы использовали автоматический выключатель на 10 А, поэтому пусковой ток, превышающий 10 А, должен протекать через автоматический выключатель больше, чем номинальное время.
Выполните следующие шаги для измерения пускового тока:
- Тестируемое устройство должно быть отключено изначально.
- Поверните циферблат и установите переключатель на Hz-A.
- Поместите провод под напряжением в клещи или используйте датчик, соединенный с измерителем.
- Нажмите кнопку измерения пускового тока, как показано на рисунке выше.
- Включив испытуемое устройство, вы получите значение пускового тока на дисплее прибора.