Способы изоляции силовых электронных преобразователей

В этой статье обсуждается важность изоляции в силовых электронных преобразователях и различные подходы, используемые для обеспечения надежности системы.

Защита системы от разрушения изоляции при одновременном поддержании ее работоспособности является основной целью изоляции. Цель состоит в том, чтобы обеспечить доступную защиту системы без ущерба для надежности.

Оглавление
1	Способы изоляции силовых электронных преобразователей
2	Различные подходы к изоляции
3	Функциональная изоляция
3.1	Функциональная изоляция силового электронного преобразователя
3.2	Функциональная изоляция в блоке силовой электроники
4	Базовая изоляция
4.1	Цели базовой изоляции
5	Дополнительная изоляция
6	Двойная изоляция
7	Усиленная изоляция
7.1	Двойная изоляция против усиленной изоляции
7.2	Цели
8	Подведение итогов по ключевым моментам
9	Ссылка

Различные подходы к изоляции

Функциональная изоляция, основная изоляция и защитное разделение (включая дополнительную, двойную и усиленную изоляцию) — это три основные категории, используемые для определения типов изоляции, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. Типы изоляции

Функциональная изоляция

Термин «функциональная изоляция» относится к способности подсистем, узлов, строительных блоков или компонентов противостоять изменениям внутреннего потенциала напряжения, а также связанным с ними напряжениям электрического поля (Э-поля), которые генерируются внутри их собственной среды.

Его основная цель — защитить систему от таких событий, как электрические дуги, возгорания, скачки напряжения и пожары, которые в противном случае могут помешать стабильной работе устройства. В этом процессе используются сертифицируемые квалификационные и производственные испытания.

Функциональная изоляция силового электронного преобразователя

Если силовой электронный преобразователь имеет высокочастотный разделительный трансформатор, функциональная изоляция покрывает эмалевую изоляцию медных проводов, межобмоточную изоляцию между первичной и вторичной обмотками и изоляцию между обмотками и сердечником.

В случае PEC, который состоит из подсхем, электрически разделенных друг от друга высокочастотным трансформатором, на трансформаторе проводится ряд испытаний на уровне компонентов, чтобы убедиться в его надежной работе, прежде чем он будет добавлен в схему. система. Стандарты, используемые для сборки генератора, разные.

Функциональная изоляция в блоке силовой электроники

В последнее время большой интерес вызывает упаковка сборок силовой электроники в закрытые строительные блоки силовой электроники (PEBB) со средним напряжением до 6 кВ. Эти PEBB позволяют создавать модульные системы PEC, способные выдерживать напряжения во всем диапазоне среднего напряжения.

Большое внимание уделяется плотной упаковке маломощных элементов управления рядом с компонентами среднего напряжения и шинами. Здесь только радиаторы и рамы шасси плавают относительно общего заземления шасси системы; Проект изоляции должен быть выполнен в рамках PEBB с использованием той же процедуры, что и координация изоляции на уровне системы.

Если рассматривать систему в целом, внутренняя система изоляции PEBB обеспечивает функциональную изоляцию на уровне PEBB. Координация изоляции PEBB с остальной частью системы требует защитной изоляции и дополнительной защиты по напряжению для основной изоляции.

Базовая изоляция

Изоляция, необходимая для обеспечения базового уровня защиты от поражения электрическим током, называется базовой изоляцией. Безопасность людей и функциональность оборудования во многом зависят от базовой изоляции, позволяющей изолировать открытые заземленные части от цепей, питаемых от сети среднего напряжения .

Цели базовой изоляции

Магнитные сердечники, незаземленные радиаторы, паяные соединения, клеммные соединения, обмотки, корпуса электрических сборок и корпуса PEBB должны быть физически разделены в соответствии с основными требованиями к изоляции. Кроме того, требуется, чтобы эти компоненты, находящиеся под напряжением, располагались отдельно от заземленных корпусов и шасси оборудования.

Для всех применений определение базовой изоляции одинаково во всех стандартах координации изоляции. Он определяет временные уровни перенапряжения и импульсное напряжение базового уровня изоляции, которые служат основой.

Одной из основных задач базовой изоляции является обеспечение того, чтобы заземление открытых частей в результате функционального нарушения изоляции не подвергало опасности жизнь. Испытания необходимы для подтверждения эффективности жидких или твердых изоляторов для удовлетворения основных требований к изоляции.

Когда речь идет о системах среднего напряжения и интерфейсных модулях PEC, состоящих из строительных блоков, основное требование устанавливает длину разделения напряжения внутри корпуса оборудования и на клеммах, которые подключаются к сети среднего напряжения. Охватываются как преднамеренное нахождение под напряжением электрических соединений, так и случайное нахождение под напряжением проводящего оборудования и поверхностей компонентов.

Дополнительная изоляция

Дополнительная изоляция представляет собой отдельный дополнительный слой изоляции, наносимый в дополнение к основной изоляции для снижения опасности поражения электрическим током в случае повреждения изоляции.

В случае выхода из строя основной изоляции этот слой изоляции предназначен для защиты пользователя от потенциально опасного напряжения. Если в источнике питания отсутствует защитное заземление, поверх основной изоляции добавляется дополнительная изоляция.

Двойная изоляция

Двойная изоляция — это процесс увеличения защитной изоляции за счет удвоения толщины основного твердого изолятора. В первую очередь он рассматривается как резервный слой изоляции, который обеспечивает сохранение основных требований к изоляции даже в случае отказа одного слоя.

Двойная изоляция может выполнять функцию усиленной изоляции, которая должна гарантировать большее изоляционное расстояние по соображениям безопасности, при условии, что она может быть проверена и проверена.

Хотя двойная изоляция предполагает дополнительный барьер безопасности, правила требуют испытаний, чтобы подтвердить, что никакой ток утечки в системе не приведет к повышению напряжения прикосновения выше допустимого уровня.

Усиленная изоляция

Увеличение воздушного зазора основной изоляции или толщины изоляции твердой или жидкой основной изоляции называется усиленной изоляцией. Обеспечение надежного изолирующего барьера между цепями или цепями, к которым может прикоснуться пользователь, является основной функцией усиленной изоляции.

Двойная изоляция против усиленной изоляции

Основное различие между двойной и усиленной изоляцией заключается в том, что при двойной изоляции добавляется еще один слой изоляции для достижения желаемого увеличения изоляции, тогда как при усиленной изоляции повышенная изоляция сверх основного требования достигается за счет увеличения расстояния (по воздуху). или сплошная изоляция) выше основных требований.

Когда дело доходит до проектирования, лучший способ удовлетворить потребность в защитном разделении — это использовать усиленную изоляцию, стойки и поддерживать разделительные расстояния для обеспечения воздушных зазоров.

Защитная изоляция с помощью усиленной изоляции имеет решающее значение для питания электронных систем и PEC с точки зрения надежности и производительности оборудования. Используя этот метод, можно избежать неопределенностей, связанных с частичным разрядом твердого изолятора (ЧР).

Цели

Усиленная изоляция конкретно относится к соединениям между низковольтным оборудованием управления, датчиками и схемами защитного мониторинга, которые расположены внутри того же корпуса, что и компоненты системы под напряжением среднего напряжения, и рядом с ними.

Защитное разделение сочетает в себе эту непосредственную близость с высокими скоростями изменения напряжения (dv/dt), связанными с импульсным преобразованием мощности, для обеспечения самозащиты и самосовместимости в присутствии побочных продуктов электромагнитных помех (EMI).

Помимо обеспечения дополнительного запаса прочности между первичной и вторичной обмотками, обмотками и сердечником, а также проводниками и экранами, усиленная изоляция также применима к клеммам PEC с трансформаторной развязкой.

Крайне важно, чтобы функциональная изоляция трансформатора, обеспечивающая внутреннюю гальваническую развязку, не была нарушена в местах входа и выхода из-за неоднородностей электрического поля в трех точках интерфейса.

Подведение итогов по ключевым моментам

● Изоляция имеет решающее значение для обеспечения надежности силовых электронных преобразователей.

● Тремя основными категориями изоляции являются функциональное, основное и защитное разделение (включая дополнительную изоляцию, двойную изоляцию и усиленную изоляцию).

● Функциональная изоляция является ключевым подходом, который позволяет подсистемам, узлам, строительным блокам или компонентам противостоять изменениям потенциала внутреннего напряжения и напряжениям электрического поля.

● Сертифицируемые квалификационные и производственные испытания используются для обеспечения эффективности методов изоляции и максимальной надежности системы.

● Эффективные стратегии изоляции могут помочь защитить высоковольтные системы от разрушения изоляции, сохраняя при этом работоспособность и надежность системы.

Ссылка

Оздемир, Сабан, Нечми Алтин, Адель Насири и Роберт Кузнер «Обзор стандартов координации изоляции для преобразователей мощности среднего напряжения». Открытый журнал IEEE по силовой электронике 2 (2021): 236–49. https://doi.org/10.1109/ojpel.2021.3065813 .