Jak vybrat správnou rychle působící pojistku | Výkonová elektronika

Výkonová elektronika, která hospodaří s kilowatty a megawatty energie, je nemyslitelná bez vhodných ochranných opatření. Spolu se složitými automatizovanými systémy má zařízení vždy konečnou ochrannou bariéru v podobě pojistek. Náklady, které spotřebiteli vzniknou při následných opravách, závisí na správné volbě parametrů pojistek.

Při výměně spálené pojistky nevzniká otázka správného výběru, protože konkrétní kód výrobce je uveden v pasu zařízení. Tento článek se bude zabývat případem, kdy je při vývoji nového zařízení nebo montáži napájecích skříní nutné vybrat vysokorychlostní pojistky na základě parametrů systému, provozních podmínek, speciálních požadavků atd. Kromě toho stanovení hlavních parametrů, které ovlivňují výběr pojistek bude probrán podrobněji — hodnoty jmenovitého napětí, jmenovitého proudu atd.

Stanovení hodnoty jmenovitého napětí

Jmenovité napětí pojistky je AC nebo DC provozní napětí. Pro správnou ochranu jakéhokoli systému musí být jmenovité napětí pojistky stejné nebo vyšší než napětí systému. Podle požadavků IEC (International Electrotechnical Commission) musí střídavé napětí při zkoušení pojistek odpovídat 110 % jmenovitého napětí s účiníkem 10–20 %. Severoamerické normy (UL) vyžadují, aby byly všechny pojistky testovány při jejich jmenovitém napětí s účiníkem 15–20 %. To je důvod, proč má většina výrobků BUSSMANN dvě jmenovité hodnoty napětí (obr. 1).

Obr. 1. Indikace jmenovitého napětí pojistky podle normy IEC a normy UL

Pokud jsou dvě pojistky instalovány v sérii, pak každá z nich musí být dimenzována na maximální možné napětí v obvodu. Deklarované jmenovité hodnoty střídavého napětí pojistek BUSSMANN jsou platné pro frekvence 45–1000 Hz. Proces sekání na nižších frekvencích je podobný jako ve stejnosměrném obvodu. Při frekvenci pod 45 Hz je nutné provést korekci na jmenovité napětí v souladu s grafem uvedeným na Obr. 2.

Obr. 2. Určení korekce na jmenovité napětí pojistky při frekvencích pod 45 Hz

Určení hodnoty jmenovitého proudu pojistky

Jmenovitý proud pojistky je střední kvadratická hodnota proudu, který je pojistka schopna procházet po dlouhou dobu, aniž by se zhoršily její vlastnosti a aniž by teplota překročila přijatelné meze (obr. 3).

Obr. 3. Indikace jmenovitého proudu pojistky

Pro správnou funkci pojistky je nutné zvolit správnou hodnotu jmenovitého proudu. Záleží jak na parametrech chráněného obvodu, tak na mnoha vnějších faktorech. Při zvýšených teplotách okolí by se měl jmenovitý proud pojistky zvýšit a při nízkých teplotách nebo při nuceném chlazení prouděním vzduchu by měl být snížen. Na tuto hodnotu má vliv také frekvence proudu, proudová hustota v kontaktní oblasti, atmosférický tlak (ve výškách nad 2000 m n. m.) a také délka a frekvence vystavení přetěžovacím proudům. Všechny tyto parametry se vztahují k jmenovitému proudu pojistky podle následujícího vzorce:

kde I_n — jmenovitý proud pojistky; I_b — střední hodnota maximálního zatěžovacího proudu v obvodu, který pracuje po dlouhou dobu; K_t — teplotní koeficient vzduchu; K_e — koeficient hustoty kontaktního proudu; K_v — součinitel průtoku vzduchu; K_f — aktuální frekvenční koeficient; K_a — součinitel nadmořské výšky; K_b — konstantní (konst.) zatížení pojistky.

Technická dokumentace Bussmann udává jmenovitý proud pojistky pro okolní teplotu 20 °C. Ve skutečných provozních podmínkách se však teplota může od této hodnoty lišit. Zvýšení teploty prostředí, například v podmínkách uzavřené instalace nebo v blízkosti tepelně zatížených prvků, vyžaduje výběr pojistky vyšší jmenovité hodnoty, protože k roztavení propojky bude potřeba méně tepla. Naopak nižší okolní teploty vyžadují použití pojistky s nižším jmenovitým proudem. Graf pro stanovení korekčního faktoru v závislosti na okolní teplotě pro typickou rychločinnou pojistku je na Obr. 4.

Obr. 4. Stanovení korekčního faktoru na jmenovitý proud v závislosti na okolní teplotě

Pokud je tedy okolní teplota asi 60 °C, pak při proudu v obvodu 100 A je třeba použít pojistku 100 A / 0,8 = 125 A. Pro posouzení vlivu vzduchu existují různé empirické vzorce a závislosti použitý. Při nuceném chlazení pojistek vzduchem při rychlosti proudění 2–10 m/s je přípustné použít pojistku nižší jmenovité hodnoty.

Z grafu na Obr. 5 je vidět, že již při průtoku vzduchu o rychlosti 2 m/s pro obvod s maximálním proudem 1100 A by měla být použita pojistka se jmenovitým proudem 1000 A, je třeba si uvědomit, že vzduch rychlost proudění by měla být odebírána přímo z těla pojistky, nikoli z oběžného kola ventilátoru.

Obr. 5. Stanovení korekčního faktoru na jmenovitý proud v závislosti na rychlosti proudění chladicího vzduchu

Vysokého výkonu pojistek je dosaženo zvýšením proudové hustoty v úžinách tavných prvků, což způsobuje silné zahřívání těla pojistky. V důsledku toho má průřez a délka proudových přípojnic velký vliv na vlastnosti pojistky. Asi 70 % tepla generovaného v pojistce je odváděno přes přípojnice. Zvětšení jejich průřezu tedy může zajistit zvýšení jmenovitého proudu o několik procent. Podle doporučení specialistů Bussmann by měla být proudová hustota v přípojnicích 1,3 A/mm 2 (podle IEC 60269, část 4, může být proudová hustota v rozmezí 1–1,6 A/mm 2). Pokud je skutečná proudová hustota v přípojnicích větší než tato hodnota, pak by se měla hodnota pojistky zvýšit s použitím koeficientu určeného z grafu na obr. 6.

Obr. 6. Určení korekčního faktoru na jmenovitý proud v závislosti na hustotě proudu (ekvivalentní průřezu) v kontaktních přípojnicích

Například 200 A obdélníková pojistka je instalována na sběrnici o průřezu 100 mm 2. Proudová hustota je 200/100 = 2 A/mm2. Pro splnění požadavku 1,3 A/mm 2 by měl být doporučený průřez sběrnice 200/1,3 = 154 mm 2. Skutečný rozměr pneumatiky je 100/154 = 65 % doporučené hodnoty. Po určení koeficientu z grafu K_e, dostaneme jmenovitý proud pojistky 200/0,94 = 213 A.

Pokud nejsou obě připojené sběrnice stejné, pak koeficient K_e lze vypočítat pomocí vzorce:

Pojistky pracující ve vysokofrekvenčních obvodech vyžadují zvláštní pozornost. Za takových podmínek může být jejich schopnost vedení proudu snížena v důsledku výskytu kožního efektu a efektu blízkosti na vodivé prvky pojistky. Kožní efekt je vyjádřen zvýšením proudové hustoty od středu k povrchu vodiče. To je způsobeno fenoménem posunutí proudu ve vodiči pod vlivem jeho vlastního magnetického pole. Efekt blízkosti je vyjádřen jako posun v hustotě proudu v důsledku působení proudu v blízkých vodičích. Oba tyto indukční efekty vytvářejí nerovnoměrné rozložení proudu napříč průřezem vodiče, což vede ke zvýšené tvorbě tepla. Pro jejich zohlednění je zaveden korekční faktor pro aktuální frekvenci K_f, určeno z grafu uvedeného na Obr. 7.

Obr. 7. Stanovení korekčního faktoru na jmenovitý proud při pracovních frekvencích nad 1000 Hz

Graf ukazuje, že při proudu 100 A s frekvencí 10 kHz je potřeba použít pojistku 100/0,7 = 143 A.

Při použití pojistek např. v horách dochází ke zhoršení konvekčního chlazení v důsledku poklesu hustoty atmosféry. Proto se ve výškách nad 2000 m nad mořem používá výškový koeficient vypočítaný podle vzorce:

kde h — nadmořská výška v metrech nad mořem.

Takže v nadmořské výšce 5000 m v obvodu s proudem 85 A by měla být použita pojistka 85/(1 – (5000 – 2000)/20 000) = 100 A.

Konstantní (konst.) zatížení pojistky K_b určeno z technického popisu pojistky. Záleží na materiálu pouzdra pojistky. Takže pro porcelánové pojistky je jeho hodnota 1 a pro sklolaminátové tělo je to 0,8.

Vliv přetížení

Maximální proud I_maxkterým může být pojistka vystavena, závisí na době trvání a frekvenci přetěžovacích impulsů. Podle doby trvání přetížení jsou rozděleny do dvou kategorií:

• přetížení trvající déle než 1 s;
• přetížení trvající méně než 1 s.

V tabulce jsou uvedena základní doporučení pro stanovení maximálního přípustného proudu při přetížení I_max.

Incidence

Přetížení (>1 s)

Pulzní zatížení (

Méně než jednou za měsíc