Всем привет. Извиняюсь, если пишу не в тот раздел, этот мне показался наиболее подходящим по теме.

Разрабатываю схемы защиты питания трёхфазной (380В) нагрузки от перегрузки и КЗ. В качестве элемента коммутации был выбран транзистор IRG4PH40UD (напряжение коллектор-эмиттер до 1200В, ток до 41А). Драйвер - IR2127. Схема - с сообщением, пока что один канал (одна фаза). Питание - 220В.
Для начала схема была проверена на малой нагрузке (лампа накаливания 40Вт 220В), без имитации КЗ, коммутация сигналом включения драйвера через оптрон. При этом схема работает нормально. Но при увеличении нагрузки (сопротивление нагрузки 20Ом) после 1-3 циклов включения-выключения происходит пробой ключевого транзистора. Пробой не тепловой, транзистор почти не нагревается. Всего было три транзистора и все три вышли из строя почти сразу.
Когда произошёл пробой первого транзистора, схема была запитана через трансформатор от низкого напряжения (24В) с сохранением тока нагрузки порядка 10А - было необходимо посмотреть переходные процессы на осциллографе, для чего требуется гальваническая развязка.
Оказалось, что на коллекторе, при отключении нагрузки, присутствуют выбросы напряжения, в 4 раза превышающие напряжение питания. Т.е. при напряжении питания 24В выбросы составляли порядка 90В. Предполагаю, что это и послужило выходом из строя силового транзистора, так как при питании от 220В выбросы напряжения на коллекторе вполне могли превысить предельно допустимое напряжение 1200В.
В качестве нагрузки используется спираль из нихромовой проволоки, индуктивность которой крайне мала. Все соединения выполнены короткими (до 15см) толстыми многожильными проводами.
Собственно, вопрос - если кто-нибудь занимался разработкой устройства подобного назначения, поделитесь, пожалуйста, опытом - возникали ли подобные проблемы и как они были решены.

С уважением, Алексей.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

>индуктивность которой крайне мала

может, ее просто недооценивают? )

Можно пойти в направлении замедления отключения транзистора или организации вокруг него RC снаббера. Или и того и другого одновременно.

Дела нечто подобное на DC 220В для коммутации реле, правда использовал полевик. Всё работало без проблем, и транзистор при КЗ оставался цел. Правда токи были порядка 2-3А. Каких либо сильных выбросов не наблюдал, реле разумеется было с диодом, как положено. Вы уверены что не жгёте всё осциллографом, у большинства осциллографов общий подключён к защитному заземлению, а в вашей схеме земля летает, вверх, вниз. Возможно стоит развязывать осциллограф тоже. Попробуйте запитать от постоянки и зашунтировать спираль диодом, как шунтируют релюшки.

Советую завести вторую обратную связь по напряжению прямого падения на ключе.
И скорее всего добавить повторитель на выход драйвера.

я делал подобную схему на россыпухе и полевике....правда на 100Вт

Что то типа такого?
http://fancydev.ru/bp/elpr01.htm

Собирал когда-то такое, вполне работоспособная схема. Но с микросхемой лучше.

Много лишнего понакручено.
Но главное - ищите индуктивность. Выброс на коллекторе может быть только из-за нее.

Да, с добавкой пары резисторов, оно.

позволяло при работе на лампу накаливания давать плавный разогрев нити, и исключать работу ламп большей мощности в схеме.
делалось соотношением срабатывания по току и напряжению, фактически ограничивало мощность.

Я не занимался разработкой таких безумных устройств, но свое мнение выскажу:
1) Если даже считать трансформатор подстанции идеальным источником напряжения, от Вашего устройства до него десятки-сотни метров провода, а это десятки-сотни мкГн паразитной индуктивности. Кроме того, даже в бытовой сети допускаются импульсные перенапряжения 1,5 кВ, в промышленной сети - еще больше. Т.е. все это нужно защищать мощными варисторами.
2) Вообще, такие задачи решаются в симуляторе - строите график переходного процесса в координатах ток/напряжение и сравниваете с ОБР своего IGBT.

P.S. Это, вообще, что - "импортозамещение" S2C-CM2/3?

RC-снаббер добавлял, почему-то амплитуда выбросов возрастала. А в плане замедления отключения - нужно будет попробовать, как будут новые транзисторы. Правда, здесь палка о двух концах - плавное отключение должно уменьшить выбросы напряжения, но, при этом, отключение должно быть достаточно быстрым, чтобы ничего не повредилось. Срабатывание автоматов тоже нежелательно.
Что касается индуктивности, то, честно сказать, я её не измерял, но какую индуктивность может иметь, скажем, катушка нагревателя диаметром порядка 10-12мм, длиной примерно 20см из нихрома толщиной 1мм? Можно, конечно, измерить, но, думаю, очень мала.



Осциллограф использовался только при проверке на низком напряжении при питании через разделительный трансформатор. При проверке на 220В на 40-ваттную лампочку было всё нормально. Конечно, там 2-3А не наберётся...



Конечно, вторую обратную связь - можно, но это защита от КЗ, а у меня до этого не доходит, тут при обычной коммутации нагрузки проблемы.
А что даст повторитель?



Что именно в этой схеме лишнее?
Индуктивность может создаваться нагрузкой из нихрома, постараюсь измерить.

> скажем, катушка нагревателя диаметром порядка 10-12мм, длиной примерно 20см из нихрома толщиной 1мм?
Или один-два "витка" приличной такой площади, составленных из самой катушки, подходящих проводов, и каких-то ферромагнитных материалов внутри этого дела?

Я не совсем понял вопрос. Не представляю, как катушка длиной 20см, диаметром 12мм из миллиметрового провода может содержать 1-2 витка. Представьте себе оправку диаметром 12мм. Намотайте на неё толстую нихромовую проволоку с длиной намотки примерно 15см и растяните её до 20см, чтобы не было межвиткового замыкания. Никаких ферромагнитных материалов внутри катушки нет.
Вечером постараюсь выложить фотографию макета с размерами - так будет проще судить.

Нет никакой "обратной ЭДС" - эту чушь придумали английские ученые 19 в. Есть напряжение на выводах катушки.

Объясняю еще раз - 1 метр сетевого провода это примерно 1 мкГн паразитной индуктивности. Если это непонятно, надо задавать вопросы в другом разделе.

Естественно, схема негодная — в цепи нагрузки сперва надо замедлить изменение тока, добавив известную индуктивность, а затем утилизатор энергии всех паразитов при отключении — например, диод, конденсатор и резистор. А поскольку этот утилизатор явно не резиновый, его требуется защитить таймером повторного включения.

Извиняюсь за дезинформацию - сейчас добрался до макета, сделать фото - длина одной катушки нагрузки (растянутой) порядка 30см, диаметр намотки 15мм, при проверке использовалось две катушки, включённые последовательно, т.е. порядка 20Ом. Завтра постараюсь измерить их индуктивность. Ещё раз извиняюсь.
Устройство планируется использовать с электродвигателем, т.е. с индуктивной нагрузкой, имеющей индуктивность во много раз большую, чем используемая на макете катушка из нихрома. И если даже индуктивность этой катушки вызывает такие последствия, то с электродвигателем точно ничего хорошего не получится.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла



Поясните, пожалуйста, насчёт таймера повторного включения. Если про повторное включение нагрузки после КЗ - оно не планируется автоматическим, как минимум - после полного отключения всего устройства.

Никакого сарказма. Катушка - это виток или несколько витков (потоки которых сцеплены) проводника. Ее индуктивность растет вместе с эффективной площадью. Учитывая, что площадь такого контура, со спиралью в 20 см и неизвестно какой длины концами кроме спирали в страшное число раз больше площади "обычной" индуктивности, которую можно найти где-нибудь на печатной плате...
--
Пока писал, появилась иллюстрация. А для торможения двигателя, возможно, стоит сделать два ключа: один для отключения от цепи питания, другой - для короткого замыкания обмотки (ок), в котором, заодно и все эти индуктивные выбросы поглотятся. Ну, если нет механических причин не тормозить слишком резко.

Интересуюсь спросить - зачем тогда нужна такая сложная и потенциально ненадежная схема и чем не устраивает расцепитель автоматического выключателя?

В свою очередь очень попрошу Вас не давать оценок чьим бы то ни было ответам в теме и не указывать, кому что демонстрировать.
На то на Форуме есть модераторы. Есть жалобы - обращайтесь. Однако, придя за советами, уж наберитесь терпения.

Заодно прошу вставлять иллюстрации в сообщения при помощи кнопки "вставить изображение" (вверху), вместо того, чтобы загружать их из файлообменника.
Это позволит автоматически уменьшать их до оптимального размера.

А по поводу индуктивности: не должно быть у разработчика такого критерия "думаю, очень мала". Понятия "очень" и "мала" - весьма растяжимы. Вы, всё-таки, померьте индуктивность своей спиральки прибором. Полагаю, будете неприятно удивлены. Ведь это приличный такой соленоид. Чтобы убить Ваш транзистор, достаточно и десятой доли такой индуктивности. Тем более при отсутствии всяких снабберов. Уж если другой нагрузки нет, хотя бы мотайте спираль бифилярно.

Управление двигателем производится не приведённой схемой (это только защита), а блоком коммутации нагрузки. Последовательно с нагрузкой стоят симистор и датчик тока. При КЗ успевает выйти из строя датчик тока и, иногда, симистор. Симистор (BTA12) пробивается, датчик тока (ACS712) просто разрывает. И автомат на 25А при этом не спасает. Т.е. он срабатывает, но когда уже на плате коммутатора произошли разрушения. Поэтому пришлось искать более быстрые средства отключения.



Тормозить двигатель нет вообще никакой необходимости, основная задача - как можно быстрее отключить нагрузку от питания при КЗ.
Индуктивность постараюсь завтра измерить и отписаться здесь - согласен, что без цифр разговор получается... в общем, беспредметный.

Именно так. Индуктивность нужно добавлять, а не убирать.
Здесь нужно понимать, что любая схема защиты имеет граничное время срабатывания и за это время ток в цепи не должен вырасти до критического. Если индуктивность цепи мала, то ток вырастет быстрее чем успеет сработать защита, что приведет к выходу из строя ключевого элемента.
Делал подобное устройство, 380В 10А в номинале, защита срабатывала на 18А. В цепи стока поставил дроссель. Время срабатывания защиты 1мкс. Индуктивность дросселя рассчитал так, чтобы в случае КЗ, ток за 1мкс с 10А увеличивался не более чем до 18А. Каждую полуволну защита перезапускается автоматически. На испытаниях многократно коротил выходные клеммы отвёрткой, искры практически не видно, нормальная работа восстанавливается сразу после устранения КЗ.
Да, есть неприятный момент в виде выброса ЭДС самоиндукции, в связи с чем дроссель зашунтировал ультрабыстрым диодом.

Судя по осциллографу, у моей схемы тоже время срабатывания порядка 1-1,5мкс. Большое спасибо! Думаю, что свои ошибки на настоящий момент понял, буду работать над ними.

Однако дроссель здоровый получается - 400 мкГ.
Такой стоить будет дороже всей схемы в несколько раз.

А такой наверняка ни к чему. Он ведь не должен работать постоянно с такими токами.

Откуда такая цифра?
L=U/(dI/dT)=537/(8/(1*10^-6))=67 мкГ

Заодно, вероятно, стоит убедиться в том, что пусковые токи двигателя (часто близкие к токам КЗ) не вызывают срабатывание защиты. А то схема может усложниться еще и интегратором тока/мощности...

Пусковой ток двигателя порядка 15-17 ампер, не очень большой. Дело в том, что через схему защиты предполагается питать не только двигатель, но и другие, менее мощные нагрузки. Именно в их коммутаторах при КЗ в нагрузке выходят из строя симисторы и датчики тока. В коммутаторе двигателя используются более мощные симисторы и датчики тока, которые при КЗ (с использованием автоматов) выживают.

А. Так вся проблема, может быть, в этом самом злополучном индуктивном выбросе, возникающем при размыкании имеющегося устройства защиты от перегрузок? И достаточно обеспечить только лишь его поглощение каким-то образом?

Да, пока что проблема из-за этого - я не могу проверить нормально макет на КЗ, пока не буду уверен, что схема работает надёжно. Я проверял на КЗ на низком напряжении - всё нормально, скорость срабатывания около 1,5мкс. А при питании от 220В на КЗ не проверял - транзисторы передохли очень быстро на простой коммутации мощной нагрузки, той самой нихромовой спирали. Только когда обычная коммутация нагрузки не будет вызывать выход транзисторов из строя, можно будет продолжать работать над схемой - проверять на КЗ и т.п.
Наверное, достаточно в самом деле обеспечить его поглощение. Собственно, с этим я и пришёл сюда

Нет, я про другое. Вот когда имеющийся сейчас автомат, или что там, разрывает цепь питания двигателя, "другие нагрузки" остаются подключенными к двигателю параллельно? Так двигатель на короткое время при этом является источником тока. Со способностью, в практическом смысле, сформировать на своем выходе бесконечное напряжение, чтобы этот ток поддерживать по величине. Может, этот эффект бороть надо, а не модернизировать сами датчики и исполнительные устройства имеющейся защиты?

Хм... Честно сказать, я на это ответить так сразу не готов, нужно обмозговать, спасибо.

Показалось, думал речь шла про 10 мкс.

Однако народ говорит, что на вот таких транзисторах легко разрывал цепи с током до 150А за 250 нс
Тут уже никакого дросселя не надо было бы.

К сожалению статью не прочесть без регистрации. Но и 250 нс нужно пережить. Если индуктивность силовой цепи близка к нулю, то ток мгновенно вырастет до значения, ограниченного лишь активным сопротивлением цепи.
Есть вариант с IGBT транзистором, с его способностью автоматически выходить из режима насыщения при перегрузке, но там свои весьма неприятные моменты.

Как? Дифференциальные уравнения в уме решать? Качайте LTSpice, стройте график переходного процесса и накладывайте его на график ОБР транзистора. Это нормальный инженерный путь, а просто "мозгование" - это шаманство.


Это для шибко правильных нужна регистрация, а простые рабочие парни качают такие статьи через sci-hub.

Измерил индуктивность нагрузки - 60мкГн. Буду изучать LTSpice...

Перенапряжение на транзисторе -из-за индуктивности проводов 100%. Эта проблема традиционно решается комплексно:
1. Снижается индуктивность линии. Загуглите BussBar(идея, как делают).В вашем случае предлагаю хотя бы минимизировать длину и свить провода.
2. Мощность небольшая. Поставьте снаббер. Хотя бы снабберный конденсатор непосредственно рядом с транзистором.
3. Добавить активную защиту по перенапряжению Active clamping

Вопрос к ТС.
А вы рассматривали вариант делать защиту использую симистор. Или вам очень важно быстродействие?

Симистор выключается в нуле напряжения. В худшем случае он будет "выключаться" 10 мс, т.е. медленнее, чем реле.

А на что это влияет?

Всё же полезно знать , что является рабочей нагрузкой.
Как правило когда речь идёт о 3-х фазной сети.
В первую очередь говорят о защите самой сети.
Тем более когда нагрузка "печка". Или автор использует спираль только для опытов?

При КЗ нагрузки за полпериода сетевой частоты может сработать автомат. Автор же хочет сделать защиту от КЗ более быструю с возможностью автоматического включения после устранения КЗ. И мы снова возвращаемся к вопросу - чем его не устраивают применяемые для таких целей моторные приводы?


Не нужно это, лишние сущности. На автоматах пишут рабочее напряжение и номинальный ток. И это правильно, потому что защита от перегрузки по току должна срабатывать всегда, независимо от того, что потребитель подключил в виде нагрузки.

Очень важно быстродействие.


Да, спираль - только для опытов. Нагрузкой будет электродвигатель.


Автоматическое включение после устранения КЗ не нужно и, более того, в данном случае, запрещено.
Что касается моторных приводов, я не смог найти их электрическую схему, но, судя по внешнему виду, там применяются обычные автоматические выключатели. Если я не прав, то какие там используются методы отключения и где можно посмотреть электрическую схему?

В таких случаях можно использовать расцепитель. S2C-A1, с которым я экспериментировал, отключает нагрузку примерно за 2 мс.


Приводы и расцепители соединяются механически с автоматом. Автомат может срабатывать сам (как автомат), может выключаться принудительно - приводом или расцепителем.

К сожалению, как показала практика, быстродействия электромеханического автомата недостаточно - выходят из строя не только маломощные измерители тока, но и довольно мощные симисторы BTA-12. При проверке использовал как раз S2C-A1, причём, для максимального быстродействия, питал его от напряжения около 60Вольт. Быстродействие схемы детектирования тока - порядка 10-15 микросекунд.

В плане моторных приводов, значит, я не ошибся - это просто связка "автомат+расцепитель", т.е. то, что при испытаниях использовал я.

Какого же быстродействия Вы хотите добиться? 2 мс - это очень быстро, это всего лишь десятая часть периода сети.
Погоня за быстродействием приведёт к другой проблеме: Ваш прибор будет выключаться от первого чиха. Учитывая обилие импульсных помех в силовых сетях, он будет абсолютно неработоспособен. Предлагаю зайти с другой стороны и принять меры для подавления опасных всплесков напряжений и токов в схеме.

Да, я бы тоже предложил такое. Есть древнее правило у связистов: помеху давят в месте возникновения, а не на приемном конце.

За это время ток успевает вырасти настолько, что выходят из строя датчики тока и симисторы. Да, я понимаю, что может за собой повлечь очень высокое быстродействие, но нужно будет найти "золотую середину". Сейчас эксперименты с защитой пришлось временно прекратить, в скором времени продолжу и обязательно отпишусь с результатами и вопросами.

Извиняюсь за задержку с ответами, но не приходят уведомления о новых сообщениях, хоть я и подписан на тему

как-то не складывается выделенное в общую картину.
если речь идет об автомате (25А), то нужно приводить его характеристику, т.е. что на нем написано В,С,Д

Если пусковой ток двигателя 15-17А зачем автомат на 25А? У С16 ток быстрого отключения не менее 80 и не более 160А, для В16 48-80А

И ACS712 и BTA12 выдерживают импульсный ток до 100А минимум 20 мс, но если влепить в защиту С25 с током отключения от 125А до 250А, так чего вы хотите?

Т.е. вполне возможно, что нет никакой проблемы, кроме правильного выбора автомата защиты.
Скорее всего, ТС следует ставить в цепь защиты автомат с характеристикой В10 или С10

зы. вообще стоит учитывать, что понятие "предохранитель" в американской и европейской традиции (стандартах) это две большие разницы и автоматы следуют американской