Уважаемые коллеги, есть вопрос по поводу живучести частотных преобразователей. При испытаниях частотного преобразователя (трехфазного на 15 кВт) собственного изготовления выяснилось, что он не выдерживает межфазного короткого замыкания, выходят из строя силовые ключи (замыкания фазы на + или минус DC-шины, вроде, держут, но это не факт, т.к. большую статистику накопить дороговато ). При этом у драйверов есть защита по насыщению силовых ключей, логика защиты на тестовых сигналах работает корректно. Возможно, ключи выходят из строя от перенапряжения в момент броска тока. Не вдаваясь пока в подробности силовой части, хотелось бы узнать насколько реально защитить частотник от короткого замыкания, насколько серийные преобразователи стойки к таким аварийным ситуациям. У нашего частотного преобразователя есть дополнительные аварийные уставки по току и напряжению, но они работают на частоте ШИМ, медленные. Возможно, организовать систему защиты можно иначе...

Ну вообще-то такие вещи делаются аппаратно, а не програмно (так во всяком случае понял из ваших слов так как есть привязка к ШИМ).

На сколько мне известно, IGBT транзисторы могут выдержать лишь ограниченное количество перегрузок, вводящих их в режим насыщения.
Защита, основанная на контроле режима насыщения, требует обязательной реализации периода охлаждения после срабатывания защиты.

Синусный фильтр на выходе частотника ограничит скорость нарастания тока при КЗ до уровня, при которых защита успеет сработать.

Свист. Между сетью и транзисторами звено постоянного тока в виде конденсаторной батареи. В момент кз она вся разрежается и ничего ее не остановит.Вы можете хоть автомат в полноминала ставить - горит из-за невозможности ограничить ток от конденсаторов

Дело не в этом. Все очень сильно зависит от кучи ньюансов:
а) Короткое замыкание в звене постоянного тока в работы. Обычно так: КЗ-выгорает сопля, которая вызвала КЗ-дикое перенапряжение более 1000В на ближайшем транзисторе (d(Lсопли*I)/dt).Далее ,все зависит от того, стоит ли на драйвере активная защита от перенапряжений или нет. Если не стоит, то транзистор выгорает от 1000В+ (пробой). Если стоит, то шансы 50/50: возникшая дуга может случайно открыть ключ в полумосте по помехе через питание, если на драйвере нет супервизора питания (бабах сопли-иголка в питании драйвера до 0В-потенциал затвора с минус 15В до ~0В-наводка на затвор - бабах ключ). Все зависит от расположения точки, в которой произошло КЗ
б) Межфазное КЗ. При правильной организации цепей защиты, с этим проблем нет. Смысл в том, что транзистор может выдержать двухкратный ток в течении ~10мкс. Все цепи защиты должны быть ювелирно настроены на это число. Это касается драйвера, платы, куда приходит сигнал с драйвера об аварии и программы. В программе сигнал об аварии должен моментально быть отработан (не ждать, пока что-то там выполнится, а по самому высшему приоритету: пришел сигнал аварии-переход в прерывание - моментально отключить все). Плюс на этот случай делается защита от высоких токах в фазе. Банально ставятся 2 датчика тока на выход частотника и такая же аппаратная 10мкс защита без замедлений
*И в 1 , и во 2 случае в такие моменты в редких случаях может пересброситься процессор и при инициализации на его ножках может быть что угодно. В итоге оба ключа полумоста при инициализации могут быть открыты. Нужно делать еще аппаратную защиту от этого
** Подводный камень здесь скрыт в том, что 10мкс-ная защита ужасно боится помех даже при номинальных токах,а больше фильтровать нельзя. Если в плате/разводке шкафа/жгута будет хоть что-то непомехоустойчивое, антенна и пр., то защита даст ложное срабатывание

Синусный фильтр стоит на ВЫХОДЕ частотника. И прекрасно ограничивает dI/dT. Иногда даже просто переделка скалярного частотника в векторный с датчиками тока по фазам на трансформаторах начинала спасть частотник от гибели при межфазном КЗ.

Ток КЗ вообще-то принимают за бесконечность, так что смысла здесь никакого, обычный азарт, повезёт — не повезёт.

При межфазном кз спасает нормально организованная быстрая защита.Навешивать ненужную фигню вместо организации нормальной защиты не самое лучшее решение.Ну если очень хочется какую-нибудь фигню поставить, поставьте туда предохранители

Скорость нарастания тока определяется паразитной индуктивностью конденсаторной стойки, а она там не маленькая.Там это время хорошечно больше 10мкс.Физика там простая:много тока-много тепла и оно не успевает отвестись от кристалла.Если дольше, то жидкий силикон, который окружает кристалл, от температуры в точках соприкосновения с кристаллом, начинает выделять пузырики, ещё больше ухудшающие контакт с кристаллом.Начинается лавинообразный процесс:ещё хуже тепло-еще больше нагрев-еще больше пузырей. Задача этой защиты не только в том, чтобы не дать нагреться кристаллу, но и не допустить образования пузырей, иначе транзистора хватит на 2-3 раза.Если защиты выстроены нормально, то транзистор выдерживает таких кз раз 30 подряд.Дальше пузыри дают о себе знать и транзистор очень быстро разогревается до 100 даже под номиналом и если на драйвере не организована тепловая защита , то будет бах.Если есть-привод отключится по перегреву, но транзистор все равно придётся менять.На 5 лет положить куда-нибудь, пока пузырики не растворяться ^,^

Бред какой. Про снабберные конденсаторы прямо на шинах питания IGBT модулей вы подумали? Именно через них идет фильтрация ВЧ составляющих, а не через электролиты фильтра.

Это не помогает, никак. Я их раньше ставил для перестраховки. Года два назад перестал ставить, потому что вечно выгорают. И вы не поверите - все так же работает. Это как аппендикс - он есть, но толку от него нет и система сама от него избавляется. А от перенапряжений спасает отстроенная активная защита на драйвере

Не, не верим.
Без снабера ни о какой защите от КЗ c дугой не может быть и речи.

Другое дело, что я не встречал еще ни одного частотника который бы мог выдержать КЗ с дугой.
Даже простых контакторов на выходе частотники не выдерживают.
Так что пустой разговор, за разумные деньги защиту от реального искрящего КЗ в частотнике не сделать.

Почему нет ? Скорость роста тока при КЗ горазо выше, чем при пусках каких-нибудь двигателей. Ставим датчик Холла на выходе нашего частотника и при желании легко можем отдетектить каким-нибудь DSP аварийный рост тока или любую аномальную ситуацию (типа гармонических искажений тока). Также это позволит реализовать уникальные функции типа "запрограммируй себе предел пускового тока", т. е. комбинировать пропорции между пусковыми токами и скоростью выхода на нужный момент и скорость.

Читаю мануал от Semikron и там такой рисунок:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Из него следует что денасыщение происходит за время около 100 нс.
Даже если DSP и успеет что-то увидеть (обычный Corteх M4 за это время даже в контекст прерывания не успеет войти), то у него не будет никаких средств так быстро что либо включить или выключить.
Остается только молится чтобы Vce не превысил критический порог во время денасыщения.
Но дальше ведь еще идет обрывание тока на фазе 4
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Тут уже придется мучительно тюнингировать топологию.
И тоже никакой DSP не поможет.

Вот на десатурацию ( выход IGBT из насыщения) реагирует за 100 нс драйвер того транзистора, на котором КЗ. Драйвер выключает транзистор и выставляет сигнал fault. Fault от всех драйверов аппаратно по схеме ИЛИ суммируется и идет на вход break STM32 и переводит таймер в безопасное состояние. Только потом ядро процессора узнает об аварии и будет ее отрабатывать, вернее регистрировать последствия или пытаться перезапустить инвертор.
На вход break так же заводятся аппаратно выход компаратора перегрузки по току, компаратор утечки common node ( обычно это третья обмотка синфазного дросселя между фильтром и силовым транзисторным мостом - если сумма токов по плюсовой и мниусовой цепи не равна нулю, то значит в двигателе или проводах есть утечка и сработает защита по common node)
кстати в STM32F3 много защит интергрировали аппаратно внутрь процессора, советую посмотреть блок схемы в рефмануале.
На холлах и токовых трансформаторах построить защиту с временим реакции 100 нс невозможно, разве что на резистивных шунтах, но для 15 квт такой вариант маловероятен. поэтому остается только десатурация, а ее транзистор обязан выдержать.

Посмотрите внимательней в даташит на ISO5500.
Функция DESAT срабатывает спустя 250 ns после того как напряжение подскочило уже до 90% от выходного.
Далее у этого драйвера еще задержка распространения более 200 ns
Все что может этот драйвер - это медленно выключить транзистор если он выжил после динамического денасыщения.
Т.е. просто сгладить крутизну тока и соответственно бросок напряжения на этапе 4 как на рисунке у Semicron.

И всем известно что STM32 всегда тащится в хвосте у TI, Infineon и Friscele-NXP в плане управления движками.
Поэтому как правильно строится архитектура цепей защиты смотрите лучше у Kinetis V серии.

Все правильно. И если у нас после силового моста на каждой фазе стоят индуктивности или синусный LCR фильтр, то переходный процесс межфазного КЗ растягивается до 5-10 мкс в случае индуктивности без сердечника, а в случае фильтра может и 100 -200 мкс получится. Защита прекрасно успеет сработать. Конечно потом надо дать отдохнуть транзисторной структуре перед повторным включением. Хуже , когда фильтр был выбран без перегрузочного запаса и сердечники фильтра насытились в режиме КЗ - тогда может и не спасти. Поэтому и упомянул защитные индуктивности без сердечника- там проблем с насыщением индуктивности не бывает.
Конечно все это греется, занимает место и стоит денег. Поэтому во многих частотниках таких защитных элементов нет или идут как дополнительная опция.

100 ns это 10 МГц. Боюсь сглаживающие индуктивности даже не тестируют на таких частотах.
Обычный контактор даст пачку наносекундных импульсов которые пройдут эти индуктивности как нож сквозь масло.
Я проводил сертификацию частотников с фильтрами. Эти фильтры как мертвому припарки на полосе до 30 МГц.

Так при сглаживаюих индуктивностях хзарактерные частоты при КЗ 100 кГц и менее. А теория ВЧ фильтров хорошо описана в электроприводе высокоскоросных машин типа шпинделей высокооборотных. Там и особенности намоки с контролируемой собственной емкостью обмотки, и двухдроссельные фильтры, один на частоту ШИМ, второй на синусную частоту итд. Высокоскоростные приводы вообще бывают
неработоспособные при отсуттсвии дросселей из за крайне низкой собственной индуктивности обмоток и режим КЗ для них почти норма при запуске или динамическом останове для смены инструмента.
Конечно никикие индуктивности не спасут частотик если дядя слесарь уронет гаечный ключ на клеммы между IGBT и фильтром. Но вот уже от удара топором по кабелю между шкафом с частотником и мотором- бывает что и спасает.

Спасибо за бурное обсуждение проблемы! Будем думать, если решим проблему, обязательно напишу как.

Во-первых, это реакция сигнальных цепей микры на насыщение без учёта времени на её измерение.Во-вторых, если бы это было реально время на срабатывание, то привод даже бы не включился, потому что српбптывала бы защита от ложняка непрерывно.Это числа далеко от реального на 2 порядка

Никакого сложного процесса измерения там нет- обычный быстродействующий компаратор, с временем реакции 10 нс и менее, все остальное- задержка от неправильных срабатываний и собственно время реакции схемы драйвера. В древние времена, когда таких интегральных драйверов небыло, лепили на рассыпухе на LM311 компараторах.
Да купите вы драйвер с защитой по десатурации, любой IGBT промышленный модуль на 75-100а, зарядите емкостной источник до 50-75 вольт и устройте КЗ с обмером осциллографом. При таких напряжениях питания транзистор все равно не сгорит, зато получите полное представление о процессе.

Повторяю вам в 3 раз-внимательно изучите как работает представленная микросхема при измерении Uкэ
Подсказка.Там уровень срабатывания 7.2В.Ни от чего она не защищает при таком пороге.Я общался с разработчиками texasa по этому поводу и они рекомендовали более совершенную версию.На самом деле-это тоже самое, но в даташите подробно расписан механизм измерения Uкэ и требования к измерительным цепям

Как не зашишает? промышленные IGBT выдерживают 2 кратную и больше перегрузку по току при длине импульса 50 мкс однократную.
Ну вышел транзистор из насыщения, на нем 7.2 вольта падет. Срабатывает защита. За время срабатывания защиты ну хорошо если до 8 вольт доползет падение на транзисторе.
Внутренне сопротивление модуля в районе единиц-десятков миллиом, уже при 100А напряжение на выводах будет достаточно для срабатывания десат.
Вы реальный транзистор измеряйте, а не в даташитах параметры при КЗ ищите- там их действительно может не быть, особенно для старых серий.
Главное dI/dt ограничить конструктивно.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
А какие "новые методы" вы имеете ввиду?

Хорошо, вот Транзистор. Какой- там ток соответствует 7.2В? И если очень точно, то считать надо не ток, а энергию, которую кристал сможет отвести за время срабатывания этой защиты. Я даже расчёт приводить не хочу - 7.2В - это по вольт-амперной характеристике килоампер 6-7, в то время как в даташите указано предельное 2800.

Ну вы и выбрали,

5600A перегрузки при импульсе короче 10 мкс.
Для такого транзистора я пас. Исследовать надо.
Семикрон для своих модулей пишет следующее.


Т.е ставить границу срабатывания менее 6 вольт нельзя, и надо правильно подобрать задержку после начала включения ключа до начала реакции на десат, т.к напряжения могут быть и до 15 вольт на ключе.
Есть конечно проблема если при давно открытом ключе произойдет КЗ, но это маловероятное событие.
А так граница 7-9 вольт вполне приемлима, т.к КЗ будет обнаруживаться на еще не полностью открытом ключе.
Техас такие величины и ставит. Можно конечно и цифровое управление придумать опрным напряжением, но надо ли это?

Обычный транзистор, на котором куча устройств сделана...
Вы просто не до конца понимаете, как работает измерение Vce у этой микры.Видите источник тока внутри микры?Он заряжает конденсатор до тех пор, пока на нем напряжение не совпадет с Vce минус падение на диоде и резисторе.Это и есть то числа, которое сравнивается с опорнымВыберите ёмкость, возьмите ток и посчитайте сколько это дело будет заряжаться.Ещё раз повторяю, я общался с разработчиками texasa и спрашивал почему так- потому что гладиолус, могли сделать больше, могли меньше.У них есть несколько серий с уставкой 9ВМогу даже больше сказать-там параллельно выходу надо вешать обратный диод, а тот, который в схеме стоит должен иметь ёмкость не более 10пФ.А эта RC цепочка должна быть в районе 1 мкс(ну не получается по другому, если начнете это проектировать серьёзно).250нс-это даже близко неправда

Попробовал на досуге сделать раннюю защиту от КЗ. Вообще, не встречал таких решений, но мне очень нравится как работает.
Идея такая: ставим токовые трансформаторы на каждую фазу. К выходу токовых трансформаторов вешаем компаратор (со срабатыванием в обе стороны от нуля разумеется). Соответственно, компаратор срабатывает когда скорость нарастания тока выше критического уровня. Т.е. защита срабатывает не когда ток достигнет критического уровня, а когда скорость изменения тока выше критической.
Соответственно, резкие броски тока ловим токовыми трансформаторами, а обычное превышение тока контролируем на штатных датчиках тока.
При необходимости на фазы вешается дополнительная индуктивность (здесь надо не забыть про насыщение магнитопровода, в идеале воздушную катушку сделать), если ток слишком быстро нарастает и защита вовремя не успевает отработать.

Идея понятна, непонятна реализация. Т.е трансформаторы тока включены как дифференцирующие, т.е выдают сигнал dI/dT а не напряжение пропорциональное току как обычные токовые трансформаторы? А как Вы этого добились? Потому что дополнительное звено дифференциатора внесет задержку и защита станет бесполезной.

Ну, ненагруженная вторичка любого трансфторматора будет выдавать напряжение, пропорциональное di/dt первички. Ибо di/dt первички это фактически напряжение на первичке. Пропорция напряжений между вторичкой и первичкой - это коэффициент трансформации.

Я неверно выразился, что видимо вызвало заблуждение. Это фактически трансформатор напряжения, но выглядит как трансформатор тока. В качестве первички у меня продетый фазный провод в кольцо с небольшой проницаемостью (50-200), а вторичка - витков 10-20 намотана на кольцо.

Т.е трансформатор одновитковый по первичке, но не токовый, т.к нет низкоомной нагрузки. И как такой трансформатор реагирует на ШИМ силовых транзисторов, вернее на фронты ШИМа? Там же иголки будут такие, что любой компаратор с ума сойдет. Интересно было бы глянуть на осциллограммы в нормальном и аварийном режиме.
Датчики в таком включении встречал, но не в защитных цепях.
Например.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
PS. https://www.eletimes.com/igbt-current-short...al-motor-drives реализован подобный способ защиты на AD7403. Хотя я и не понял, как им удалось получить скорость срабатывания защиты в 400 нс при использовании модулятора.

При наличии правильно разведенной многослойки по сэндвич-технологии, чтоб прямой и обратный токи в контуре текли максимально близко по близлежащим слоям, то на рассотянии 2-3 см от ключей уже выбросы от переключений не мешают. А на 6-10 см их вообще не видно на фоне сигнала. К тому же трансформатор я делал как катушечки в слоях многослойной платы (на кольце тоже мотал в других изделиях, тоже работает, а при проблемах можно заэкранировать), а верх и низ залиты медью. Вполне эффективно экранируется от всякой нечисти. Там другое вылезает - в моторе есть межфазная емкость, обусловленная емкостью между медью и статором. Плюс длинные фазные провода могут добавлять. У меня были небольшие всплески, на моих моторах были от 2 до 30% от полезного сигнала. В целом не мешались.

По скорости срабатывания защиты - срабатывает очень быстро, фактически это скорость срабатывания компаратора. Гораздо медленнее (раз в 10 или больше) происходит управление затворами.

Ну так из за емкостей и были шпильки на фронтах ШИМ. И надо или ставить подобранную по емкости нагрузки ( мотор плюс кабель) RC цепь, или делали два УВХ синхронизированные с ШИМом и двумя задержками относительно фронта ШИМ. И сигнал с двух УВХ подавали на компаратор. Вот по этому схема дельта-сигма модулятора от АД заинтересовала, потому что быстрая дельта-сигма заменяет эти два УВХ. И если контроллер умеет аппаратно вычислять dI/dt по двум последоваетльным выборкам и на основании этого аппаратно прнимать решение о срабатывании защиты- то это очень хорошо.

А УВХ для чего? Для целей защиты оно ни к чему, ибо я настроил порог срабатывания раз в 10 выше чем у самого злого мотора по di/dt. Все артефакты в совокупности значительно меньше. А по постоянке обычных холлов с выборкой 20kSPS вполне хватает.

У меня был обычный токовый датчик типа LEM (токовый трансформатор с компенсацией по Холлу), а не dI/dT. Поэтому две быстрых выборки значения тока со сдвигом по вермени и давали dI/dT от которого срабатывала защита. Первая выборка сразу после окончания переходных процессов при открывании транзистора, вторая с задержкой около микросекунды. Токовые датчики ограничивали скорость нарастания тока при КЗ и можно было еще успеть закрыть транзистор без аварийных режимов.

Понял. Кстати, такие датчики тока нормально на практике работают? В плане гистерезиса и дрейфа нуля? Я сейчас для точного измерения тока хочу на фазы повесить шунты, ибо вечно уплывающий ноль головняка добавляет. Придется повозиться с опторазвязками и оцифровкой, но пока не вижу других решений.
Я бы на Вашем месте поставил от датчика тока дифференцирующую цепочку и компаратор. Ток за период ШИМа несколько раз успеет нарасти выше критического (у меня по крайней мере так).

В плане гистерезиса нормально, желательно сделать калибровку задержки по фазе от частоты для холловского датчика. В плане калибровки нуля- можно делать автокалибровку в цифре в установившемся режиме синуса.
Особых требований по точности токовых датчиков по фазам у нас не было, в режиме точного привода использовался внешний энкодер, по нему и строилась обратная связь.


Выборки были в одном периоде шим, Изначально планировалось использовать АЦП контроллера, но потом от этой идеи отказались. Был еще суперстенд из 3 китайских USB осциллографов с переделанной прошивкой CPLD, где АЦП непрерывно молотили на 40 МГц, CPLD аппартано рассчитывала di/dT и выдавала сигнал срабатывания защиты, а по USB вычитывалась потом история, которая привела к срабатыванию защиты. Получилось намного дешевле чем многоканальный цифровой скоп брендовый. Но конечно это все отладочные извращения, в частотик никто не будет ставить 6 быстрых AЦП и ПЛИС.

Господа, в теме полно религии, особенно на первых страницах.
Зачем вам космически быстрая защита от КЗ, срабатывающая за 100 нс? Ваш преобразователь работает на мегагерцовой частоте? Сейчас в любом микроконтроллере, где написано motor control timer, есть вход fault#, по которому этот таймер останавливается и отключает все 6 или 8 выходов вне зависимости от прерываний и всего остального. Правда, это не всегда оптимальная стратегия для безопасного останова, но не суть.
IGBT-транзисторы нормируются на вполне определенный ток КЗ, который они должны выдерживать в течение 10 мкс. Сейчас, правда, пошла мода на 5 мкс или вообще без short circuit rate, но это для первичных цепей закрытых преобразователей, которые нагружены на обмотку трансформатора внутри самого изделия. Зато цена таких транзисторов радует.
Ток КЗ отнюдь не бесконечен, т.к. силовая цепь преобразователя неидеальна, в ней есть и неучтенное (или учтенное?!) внутреннее сопротивление батареи, и индуктивность шин. Испытать DESAT-защиту на столе проблем не составляет - возьмите батарею из снабберных конденсаторов, или добавьте банку MKP на несколько сот микроФарад, нагрузите на перемычку известного сопротивления и индуктивности, несколько мОм и мкГн, и, меняя напряжение, подберите искомый порог. Совсем необязательно экспериментировать на опасных напряжениях, MKP даже с 50-80 В отдадут вам несколько кА, смотря, как нагрузите. Заодно сможете увидеть, как ваши шины работают при таких импульсах, звон в ушах будет стоять)))
Потом, для частотника большая разница, где возникает КЗ - на клеммах, в кабеле, или в обмотках мотора; и когда возникает КЗ - перед попыткой пуска, или на ходу, на открытый и насыщенный транзистор. Одно дело, если вы уроните гаечный ключ в клеммную коробку на моторе за 20м кабеля, и другое, если это произойдет на клеммах преобразователя. Чаще всего неожиданности проявляются после монтажа и после межэксплуатационных периодов, когда вполне можно протестировать нагрузку на утечки перед пуском.

У нас КЗ возникает при наезде металлических кромок на кабель. Это может быть и далеко и близко от частотника.
КЗ может быть однократным, а могут на него и долго не обращать внимание.
В результате частотник сгорает. Причем сгореть могут даже не силовые транзисторы, а драйвера силовых транзисторов.
От КЗ с дугой и пачками прерывистых импульсов никакой защиты вы не сделаете.

Ну в моем случае это был испытательный стенд для высокоскоростных электроприводов, в том числе и с испытанием ротора на разрыв. Когда из ротора вылетали постоянные магниты от разрыва бандажа обмоткам было очень плохо. Движок шел на распиловку и вдумчивый анализ останков, но частотник должен был это пережить.