В высоковольтных применениях, таких как промышленные двигатели, солнечная энергия и системы управления батареями (BMS) электромобилей (EV), измерение сопротивления изоляции имеет важное значение с точки зрения безопасности.
В условиях высокого напряжения нарушение изоляции вызовет высокий ток утечки, повреждая систему и травмируя пользователя.
Сопротивление изоляции необходимо периодически измерять, так как со временем оно будет уменьшаться из-за высокого электрического напряжения и теплового перепада. Важно, чтобы в системе была установлена функция измерения сопротивления изоляции, чтобы отслеживать любое изменение и принимать меры до того, как произойдет сбой.
Сегодня мы расскажем, как оптроны могут обеспечить высоковольтную изоляцию и выполнять функцию измерения сопротивления изоляции в системе.
Принцип работы
Для определения сопротивления изоляции сперва к системе прикладывается постоянное напряжение более 500 В. Для промышленного двигателя согласно стандарту IEEE Std 43-200 параметры постоянного напряжения показаны в таблице 1.
Далее напряжение Vsense измеряется на шунте Rshunt для определения тока утечки Ileakage. Сопротивление изоляции Riso обмоток двигателя относительно корпуса можно рассчитать далее по закону Ома, как показано на рисунке 1.
Набор резисторов Rsel используется для выбора и покрытия всего диапазона сопротивления изоляции.
Для информации, используя тот же стандарт IEEE в качестве примера, хорошее сопротивление изоляции составляет более 10 МОм.
Определен стандарт для PV модулей, инверторов и для производства солнечной энергии соответственно DIN IEC 61215, DIN VDE 0126-1-1 и DIN EN 61646.
PV модули (DIN EN 61646; DIN IEC 61215): R ISO > 40 МОм·м2
PV инверторы (DIN VDE 0126-1-1): R ISO > 1 кОм/В, минимум 500 кОм
Поскольку во время измерения сопротивления изоляции применяется высокое напряжение (> 500 В), требуется гальваническая развязка для разделения и защиты микроконтроллера низкого напряжения (MCU) и пользователя, работающего с оборудованием.
Хотя измерение изоляции и сопротивления изоляции может быть выполнено с помощью простых аналоговых и цифровых изоляторов с дискретными датчиками напряжения и переключателями, Broadcom предлагает большое семейство оптронов со встроенными функциями, которые обеспечивают компактное и простое в использовании решение.
Оптроны для измерения сопротивления изоляции
- Одна из причин широкого использования оптронов заключается в том, что оптроны могут обеспечить усиленную гальваническую развязку, сертифицированную органами безопасности и регулирующими органами, такими как IEC / EN / DIN, UL и CSA.
- Другая причина заключается в том, что они обладают высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам (CMTI) для поддержания целостности сигнала в зашумленных промышленных и автомобильных средах.
На рисунке 2 показано каким образом оптоизоляцию, набор реле и датчик напряжения, представленные на рисунке 1, можно заменить изолированными твердотельными реле Broadcom ASSR-601J/JV/JT и датчиком напряжения ACPL-C87B/C87BT.
ASSR-601J и ASSR-601JV/JT — это фотоэлектрические твердотельные реле на полевых МОП-транзисторах для промышленных и автомобильных приложений при 125ºC.
ASSR-601J состоит из входного светодиодного каскада, оптически соединенного для переключения двух дискретных высоковольтных полевых МОП-транзисторов с напряжением пробоя свыше 1500 В.
- Изоляция между входом светодиода и выходом МОП-транзистора также сертифицирована IEC 60747-5-5 с рабочим напряжением 1414 В (Vpeak).
- Параметры напряжение пробоя полевого МОП-транзистора и напряжение изоляции между входом и выходом делают реле ASSR-601J подходящим для испытания сопротивления изоляции напряжением до 1000 В.
- При тестах ASSR-601J в выключенном состоянии имеет ток утечки менее 1 мкА при напряжении сопротивления изоляции 1000 В. Это соответствует сопротивлению в выключенном состоянии 1 ГОм, что на два порядка выше, чем «хорошее» сопротивление изоляции 10 МОм, что делает его идеальным переключателем для измерения сопротивления изоляции.
- ASSR-601J имеет очень низкое сопротивление в открытом состоянии 100 Ом, которое не влияет на точность измерения, и максимально допустимый ток нагрузки 50 мА. Обычно это более чем достаточно для применения, где потребление тока менее 10 мА.
Для высокотемпературных применений, таких как BMS в электромобилях, ASSR-601JV автомобильного класса имеет гарантированный ток утечки в закрытом состоянии менее 1 мкА (до 105 ° C), а ASSR-601JT - менее 5 мкА (до 125 ° C).
Свойство высокого сопротивления в закрытом состоянии имеет решающее значение, поскольку сопротивление изоляции ухудшается при повышении температуры.
Стандарт IEEE 43 утверждает, что сопротивление изоляции уменьшается вдвое на каждые 10 ° C повышения температуры.
Другими словами, сопротивление изоляции, измеренное при комнатной температуре, должно быть уменьшено на температурный поправочный коэффициент при работе при высоких температурах.
Но следует отметить, что уникальные свойства тока утечки в закрытом состоянии ASSR-601JV и ASSR-601JT при высокой температуре не влияют на измерение сопротивления изоляции независимо от рабочих температурных условий.
Корпус ASSR-601J специально разработан для удовлетворения требований к функциональной изоляции и уменьшения возможности возникновения дуги на выходных контактах при подаче высокого напряжения.
Этот корпус имеет расстояние по току утечки более 5 мм между выводами стока полевых МОП-транзисторов на выходных контактах. Для функциональной изоляции тока утечки требуется расстояние 1 мм на каждые 200 В приложенного напряжения. Этот корпус позволяет измерять сопротивление изоляции напряжением до 1000 В.
Датчики напряжения
Датчики напряжения ACPL-C87B и ACPL-C87BT представляют собой усилители с оптической развязкой, разработанные специально для измерения напряжения в промышленных и автомобильных применениях при 125 °C.
Согласно сертификации по IEC 60747-5-5 с рабочим напряжением 1414 Vpeak, делает данное решение подходящим для испытаний на сопротивление изоляции до 1000 В
ACPL-C87B/C87BT имеет:
- допуск на коэффициент усиления ± 0,5%
- отличную линейность
- широкий входной диапазон 2В
- высокий входной импеданс 1 ГОм, подходящий для изолированного измерения напряжения на шунте.
Следует отметить, что шунтирующий резистор Rshunt имеет низкое сопротивление, обычно 2 кОм. При параллельном подключении входной импеданс датчика напряжения может влиять на точность и его может потребоваться компенсировать.
Благодаря высокому входному импедансу 1 ГОм, который на шесть порядков выше, чем у шунта, он оказывает незначительное влияние (менее 0,001%) на общее сопротивление шунта и, следовательно, на точность шунтирующего напряжения.
Измерение сопротивления изоляции имеет решающее значение для определения надежности и безопасности высоковольтной системы. Broadcom предлагает широкий ассортимент оптопар со встроенными функциями, подходящими для измерения сопротивления изоляции.
ACPL-C87B / C87BT и ASSR-601J / JV / JT демонстрируют соответствие требований к изоляции, а измерение напряжения и работа реле полностью закрывают и упрощают проектирование измерения сопротивления изоляции в системе на 1000 В.
Для более высоких испытательных напряжений, превышающих 2000 В, тот же датчик напряжения ACNT-H87B также доступен в 15-миллиметровом корпусе с рабочим напряжением между контактами 2262 Vpeak.
По вопросам выбора реле и измерения напряжения вы можете обратиться к нашему эксперту по силовой электронике:
Дмитрию Антонову.
Запрос оставляйте в форме ниже:
