Sicher auch bei Kurzschluss

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1 Zur Strombegrenzung beim Laden von Kapazitäten werden üblicherweise ohmsche Widerstände verwendet. Dies birgt jedoch technische Risiken. Tritt zum Beispiel ein Kurzschluss an der Kapazität auf, oder zeigt das Relais zum Kurzschließen des Ladewiderstands eine Fehlfunktion, werden die Ladewiderstände dauerhaft mit einer hohen Leistung beaufschlagt. Dies kann zur Zerstörung des Geräts oder des Widerstandes führen. EPCOS hat sich dieser Problemstellung angenommen und stellt mit der speziell für die Verwendung als Ladewiderstand entwickelten Produktfamilie J20X auf Basis von PTC-Keramik eine professionelle Lösung zur Verfügung, welche trotz vergleichsweise kleiner Bauform eigensicher ist. Die Familie J20X besteht aus folgenden Produkten: Tabelle: Kenndaten von PTC-Ladewiderständen Eigensichere Ladewiderstände Juli 2007 Sicher auch bei Kurzschluss Typ Ordering code V max [V] R R [Ohm] J201 B9201J0140B ± 30% J202 B9202J013B ± 30% J204 B9204J0130B ± 2% Typische Anwendungen sind Industriestromversorgungen, Frequenzumrichter und USVs im Leistungsbereich von 00 W bis 0 kw. Hier wird meist ein Kondensator zur Glättung der erzeugten Gleichspannung oder als Energiespeicher im Zwischenkreis verwendet wird. Zur Vermeidung unzulässig hoher Stromspitzen beim Laden von Kondensatoren muss in der Regel eine Begrenzung des Ladestroms durch einen vorgeschalteten Widerstand vorgesehen werden. Realisiert wird dies häufig durch ohmsche Festwiderstände, aber auch durch NTC-Widerstände. Meist wird das strombegrenzende Element nach dem Ladevorgang über ein zeit- oder spannungsgesteuertes Relais kurzgeschlossen. Diese Begrenzung des Ladestroms ist bei Gleich- und Umrichteranlagen von besonderer Bedeutung, da sonst die sich ergebende Einschaltstromspitze zum Auslösen der Sicherungen führt oder den Gleichrichter mit unzulässig hohen Strömen beaufschlagen würde. Abbildung 1 zeigt das Blockschaltbild einer Gleich- beziehungsweise Umrichteranlage. ABBILDUNG 1: GLEICHRICHTEREINHEIT MIT GLÄTTUNGSKONDENSATOR Der ohmsche Widerstand begrenzt den Ladestrom. Ist der Kondensator aufgeladen, wird der Widerstand über ein Relais kurzgeschlossen, um Verluste im Betrieb zu vermeiden. Für diese Begrenzung des Ladestroms in ungestörten Betriebszuständen ist die beschriebene Kombination aus ohmschem Widerstand und Relais ausreichend. Treten jedoch Störungen während oder nach dem Ladevorgang auf, so kann das zu einem Totalausfall dieser Widerstände und in weiterer Folge auch anderer Systemkomponenten führen. 1

2 Um typische Fehlerfälle, wie Kurzschluss des Kondensators oder Versagen des Kurzschlussschalters, abzudecken, empfiehlt sich die Verwendung von selbstschützenden Ladewiderständen der Familie J20X. Dabei arbeiten diese Bauelemente bei fehlerfreiem Ladevorgang wie ein ohmscher Festwiderstand und begrenzen damit den Spitzenwert des Ladestroms. Im Fehlerfall erhöht sich die Temperatur und damit der Eigenwiderstand der PTC-Keramik infolge der erhöhten Ohmschen Verluste und begrenzt den Strom auf ein ungefährliches Niveau (Abbildung 2). ABBILDUNG 2: WIDERSTANDSKENNLINIE EINES LADEWIDERSTANDES AUF PTC-BASIS Durch einen hohen Kurzschlussstrom erwärmt sich die Keramik und wird hochohmig. Bei Verwendung eines Festwiderstands als Ladestrombegrenzer dagegen würde bei den genannten Fehlerbildern eine sehr hohe Verlustleistung am Widerstand auftreten, die eine unwirtschaftliche Überdimensionierung des Bauelements erfordert. An einem konkreten Beispiel wird das Funktionsprinzip deutlich (Abbildung 3). ABBILDUNG 3: GLEICHRICHTERSCHALTUNG Typische Konfiguration eines Gleichrichters am Drehstromnetz mit Glättungskondensator und eigensicheren Ladewiderständen. Angenommen wird ein Drei-Phasen-Brückengleichrichter an einem Netz mit 400 V RMS Außenleiterspannung. Der verwendete Glättungskondensator hat eine Kapazität von 940 µf. Zur Begrenzung des Einschaltstroms dient eine Parallelschaltung zweier Ladewiderstände des Typs B9204J0130B010. Ihr nominaler Widerstand bei einer Umgebungstemperatur von 2 C beträgt 100 Ω. Er wird auch als Nullspannungswiderstand bezeichnet. Die Parallelschaltung zweier Bauelemente ist in diesem Fall erforderlich, da der Energiebetrag, der während des Ladevorgangs zum Kondensator transferiert werden muss, einen einzelnen Widerstand B9204J0130B010 zum ungewollten Erwärmen und damit in den hochohmigen Zustand bringen würde. Dies ist zu vermeiden, da ansonsten der Zwischenkreiskondensator nicht komplett geladen würde. 2

3 Die Berechnung der Anzahl der benötigten Bauelemente für die Produktfamilie J20X erfolgt nach der Gleichung: Dabei ist: n die Anzahl der benötigten J20X-Elemente C Kapazität des Zwischenkreiskondensators in F V die maximale Ladespannung des Kondensators in V C th die Wärmekapazität eines Ladewiderstands J20X in J/K T Ref die Referenztemperatur der verwendeten PTC-Keramik in C T Amax die maximale Umgebungstemperatur an der Einbaustelle des Ladewiderstands in C Das Bauelement B9204J0130B010 zum Beispiel hat eine Wärmekapazität von ca. 2 J/K und eine Referenztemperatur von 130 C. Sowohl eine Parallel- als auch eine Serienschaltung der beiden Bauelemente ist möglich. Die Erfüllung der oben stehenden Gleichung gewährleistet, dass die PTC-Keramik bis zum Abschluss der Kondensatorladung keine höhere Temperatur als die Referenztemperatur annimmt und damit im niederohmigen Bereich bleibt. Nach Erreichen von 9 Prozent der maximalen Ladespannung des Kondensators werden die parallel geschalteten J20X kurzgeschlossen, und der Verbraucher (repräsentiert durch einen 260Ω-Festwiderstand) wird zugeschaltet. Das Verhalten dieser Parallelschaltung von zwei Bauelementen J204 wird im Folgenden mit dem eines 0Ω- Festwiderstands verglichen. Für den fehlerfreien Ladevorgang ergibt sich ein Strom-Zeit-Diagramm, wie in Abbildung 4 dargestellt. ABBILDUNG 4: NORMALLADUNG PTC-KERAMIK VS. OHMSCHER WIDERSTAND Die Ströme während des Ladens sind bei PTC-Keramik (blau) und ohmschem Widerstand (rot) nahezu identisch. Der zeitliche Verlauf der Ladeströme ist in beiden Fällen nahezu identisch. Die leichten Abweichungen der Stromkennlinie der PTC-Keramik von der des Festwiderstands ergeben sich aus: der besonderen Form der Widerstands-Temperaturkennlinie des Kaltleiters und der Spannungsabhängigkeit der PTC-Keramik, die besonders während des Einschaltvorgangs wirksam wird. Die Spannungabhängigkeit muss ggf. bei der Dimensionierung der Einschaltstromspitze berücksichtigt werden. Nach etwa 190 ms ist der Ladevorgang abgeschlossen, und die Ladewiderstände werden kurzgeschlossen. Die Energieaufnahmekurven und damit die Erwärmung sind ebenfalls fast identisch (Abbildung ). Ihr Maximum entspricht der Energie im Kondensator zum Zeitpunkt des Kurzschließens. 3

4 ABBILDUNG : ENERGIEAUFNAHME WÄHREND DES LADENS Die Energieaufnahme von PTC-Kermaik (blau) und ohmschem Widerstand (rot) sind beim normalen Ladevorgang nahezu identisch. Der Vorteil des Kaltleiters als strombegrenzendes Element zeigt sich in den Fehlerfällen. Sollte das Relais nicht schließen, fließt der Verbraucherstrom über den Ladewiderstand und verursacht eine hohe thermische Belastung, die eine entsprechende Dimensionierung des Widerstands erfordern würde. Bei Verwendung eines Ladewiderstands auf Basis von PTC-Keramik erhöht dieser infolge der hohen Anfangsverlustleistung seinen Widerstand auf einige 10 kω und begrenzt damit den in diesem Fehlerfall auftretenden Strom (siehe Abbildung 6). Nach circa drei Sekunden ist der Strom durch die beiden Widerstände und damit durch den gesamten Kreis auf einige 10 ma abgeklungen. Der Vergleich der aufgenommenen Energien ist in Abbildung 7 dargestellt. ABBILDUNG 6: STROMFLUSS BEI DEFEKTEM RELAIS Bei defektem Relais erwärmt sich die PTC- Keramik, und der Strom klingt nach circa drei Sekunden auf unbedenkliche Werte ab (blau). 4

5 ABBILDUNG 7: ENERGIEAUFNAHME BEI DEFEKTEM RELAIS Nach circa vier Sekunden bleibt die Energieaufnahme der PTC-Keramik konstant, am ohmschen Widerstand steigt sie jedoch an (rot). Die PTC-Keramik begrenzt durch den Übergang in den hochohmigen Zustand die Energieaufnahme auf einen unkritischen Wert, während der Ohmsche Festwiderstand einen linearen Anstieg der aufgenommenen Energie zeigt. Im obigen Beispiel müsste der Festwiderstand bei Berücksichtigung des Temperatur-Deratings eine Nennleistung von über 200 W haben, um die unzulässig hohe Erwärmung und damit Zerstörung zu vermeiden. Fehlerfall Kondensatorkurzschluss bei Beginn des Ladevorgangs Der hohe Einschaltstrom bewirkt, dass die beiden eigensicheren Ladewi-derstände nach rund 10 ms hochohmig werden und den Strom abregeln. Der Strom durch den Ohmschen Festwiderstand wird nur durch die sehr niedrige Netzimpedanz begrenzt und verursacht damit einen sehr hohen Leistungsumsatz im Festwiderstand (Abbildung 8). ABBILDUNG 8: STROMVERLAUF BEI KURZGESCHLOSSENEM KONDENSATOR Bei kurzgeschlossenem Kondensator klingt der Stromfluss durch den PTC sehr schnell auf unkritische Werte ab (blau). Beim Ohmschen Widerstand jedoch bleibt der Stromfluss konstant auf hohen Werten (rot). Die beiden parallel geschalteten eigensicheren Ladewiderstände befinden sich nach kurzer Zeit im thermischen Gleichgewicht mit der Umgebung, und der Anstieg der Energieaufnahme ist wegen der Hochohmigkeit der PTC- Keramik gering. Es ergibt sich eine ähnliche Energieaufnahme, wie in Abbildung 7 dargestellt. Der Fehlerfall Kondensatorkurzschluss bei Beginn des Ladevorganges stellt eine sehr hohe Beanspruchung des Ladewiderstandes dar. Für den Typ J201 muss daher ein zusätzlicher Festwiderstand zur Begrenzung des dabei auftretenden Kurzschlussstromes vorgesehen werden. J202 und J204 können jedoch ohne Schutz durch einen Widerstand verwendet werden. Autor: Dr. Stefan Benkhof, Product Marketing Manager PTC Thermistors