Fuse protection optimization of drive DC link

Abstract

This thesis is done for ABB Drives and the study examines the effectiveness of the fuse protection with different fuse alternatives. During a short circuit, the temperatures and energies can rise extremely fast and an uncontrolled short circuit can cause significant damage to devices as well as cause a risk for the safety of personnel. With correct protection methods, the maximum current and duration of short circuit can be limited to milliseconds, which prevents the damage or at least minimizes the amount of damage to the protected drive system.

In this thesis protection of four parallel connected drive modules is examined using ANSYS Simplorer simulation program. The focus of the study is primarily on simulating the current distribution in different parts of the system and optimizing the protection of the drive DC link. The simulation results are compared to calculations to verify the reliability of the simulation model.

The study compares how adding fuses to the DC link affects the operating times of fuses and the total energy in the circuit. In addition, the impact of 6-pulse and 12-pulse connection to the current share during short circuit is compared in the results.

Based on simulations, the fuse protection operates sufficiently with two DC link fuses, when the goal is to minimize the risks to personnel and system components. The selected protection concept is however affected by the requirements of the drive system. The sufficient fuse protection must also be verified with other methods, such as calculations and testing.

Tämä opinnäytetyö on tehty ABB:n Drives-yksikölle ja työssä tutkitaan sulakesuojauksen toimivuutta erilaisilla sulakevaihtoehdoilla. Oikosulun aikana lämpötilat ja energiamäärät voivat kasvaa erittäin nopeasti ja oikosulku voi hallitsemattomana aiheuttaa suuria laitevahinkoja sekä henkilövaaraa. Oikealla suojausperiaatteella oikosulun maksimivirta sekä oikosulun kesto saadaan pienennettyä millisekunteihin, jolloin varsinaista komponenttivahinkoa suojattavalle laitteelle ei ehdi syntyä, tai ainakin vahingot jäävät pieniksi.

Tässä työssä tutkitaan neljän rinnankytketyn taajuusmuuttajamoduulin suojausta käyttäen apuna ANSYS Simplorer simulointiohjelmaa. Tutkimuksen pääpaino on erityisesti taajuusmuuttajamoduuleja yhdistävän DC-välipiirin läpi kulkevien virtojen mallintamisessa sekä sen optimaalisessa suojauksessa. Työssä verrataan simuloinnin tuloksia laskemalla saatuihin arvoihin, joilla simulointimallin luotettavuutta saadaan varmennettua.

Tutkimuksessa verrataan kuinka sulakkeiden lisääminen DC-välipiiriin vaikuttaa sulakkeiden toiminta-aikoihin ja samalla piirissä kulkevaan kokonaisenergiaan. Lisäksi tarkastellaan mikä vaikutus 6-pulssi- ja 12-pulssikytkennällä on piirin virranjakaumaan oikosulkutilanteessa.

Simulointitulosten perusteella sulakesuojaus saadaan toimimaan riittävän nopeasti kahdella välipiirin DC sulakkeella, kun tavoitteena on henkilö- ja komponenttivahinkojen minimointi. Valittavaan ratkaisuun vaikuttavat kuitenkin taajuusmuuttajajärjestelmän vaatimukset. Lisäksi suojauksen toimivuus on aina varmistettava myös muilla menetelmillä, kuten laskennalla sekä testeillä.