Pré-carga - Pre-charge

A corrente de pico de pico em um capacitor de alta tensão ao ligar pode sobrecarregar o componente, reduzindo sua confiabilidade.

A pré-carga das tensões da linha de força em uma aplicação CC de alta tensão é um modo preliminar que limita a corrente de pico durante o procedimento de inicialização.

Um sistema de alta tensão com uma grande carga capacitiva pode ser exposto a alta corrente elétrica durante a ativação inicial. Essa corrente, se não for limitada, pode causar estresse considerável ou danos aos componentes do sistema. Em algumas aplicações, a ocasião de ativar o sistema é uma ocorrência rara, como na distribuição de energia em concessionárias comerciais. Em outros sistemas, como aplicativos de veículos, a pré-carga ocorrerá com cada uso do sistema, várias vezes por dia. A pré-carga é implementada para aumentar a vida útil dos componentes eletrônicos e aumentar a confiabilidade do sistema de alta tensão.

Antecedentes: correntes de inrush nos capacitores

As correntes de irrupção nos componentes capacitivos são uma preocupação fundamental no estresse de energização dos componentes. Quando a energia de entrada CC é aplicada a uma carga capacitiva, a resposta ao degrau da entrada de tensão fará com que o capacitor de entrada seja carregado. O carregamento do capacitor começa com uma corrente de pico e termina com uma queda exponencial até a condição de estado estacionário. Quando a magnitude do pico de pico é muito grande em comparação com a classificação máxima dos componentes, então a tensão do componente é esperada. Sabe-se que a corrente em um capacitor é : a corrente de pico de inrush dependerá da capacitância C e da taxa de variação da tensão (dV / dT). A corrente de inrush aumentará conforme o valor da capacitância aumenta e a corrente de inrush aumentará conforme a tensão da fonte de alimentação aumenta. Este segundo parâmetro é a principal preocupação em sistemas de distribuição de energia de alta tensão. Por sua natureza, as fontes de energia de alta tensão fornecerão alta tensão ao sistema de distribuição. As cargas capacitivas estarão, então, sujeitas a altas correntes de inrush na energização. O estresse para os componentes deve ser compreendido e minimizado. ${\ displaystyle I = C (dV / dT)}$

O objetivo de uma função de pré-carga é limitar a magnitude da corrente de inrush em cargas capacitivas durante a inicialização. Isso pode levar vários segundos, dependendo do sistema. Em geral, os sistemas de alta tensão se beneficiam de tempos de pré-carga mais longos durante a inicialização.

Considere um exemplo em que uma fonte de alta tensão energiza uma unidade de controle eletrônico típica que possui uma fonte de alimentação interna com uma capacitância de entrada de 11000 μF. Quando alimentado por uma fonte de 28 V, a corrente de pico na unidade eletrônica se aproximaria de 31 amperes em 10 milissegundos. Se esse mesmo circuito for ativado por uma fonte de 610 V, a corrente de pico se aproximará de 670 A em 10 milissegundos. É aconselhável não permitir correntes de energização ilimitadas da ativação do sistema de distribuição de energia de alta tensão em cargas capacitivas: em vez disso, a corrente de energização deve ser controlada para evitar estresse de energização dos componentes.

Definição de uma função de pré-carga

O pré-carregamento de uma linha de distribuição de energia CC de alta tensão pode controlar a corrente de inrush em componentes capacitivos, reduzindo o estresse e sustentando uma longa vida útil do componente.

O requisito funcional do circuito de pré-carga de alta tensão é minimizar o pico de corrente de saída da fonte de alimentação, diminuindo o dV / dT da tensão de alimentação de entrada de modo que um novo "modo de pré-carga" seja criado. É claro que as cargas indutivas no sistema de distribuição devem ser desligadas durante o modo de pré-carga. Durante o pré-carregamento, a tensão do sistema aumentará lenta e controladamente com a corrente de inicialização nunca excedendo o máximo permitido. Conforme a tensão do circuito se aproxima do estado estacionário, a função de pré-carga está completa. A operação normal de um circuito de pré-carga é encerrar o modo de pré-carga quando a tensão do circuito é 90% ou 95% da tensão operacional. Após a conclusão do pré-carregamento, a resistência de pré-carga é desligada do circuito de alimentação e retorna a uma fonte de alimentação de baixa impedância para o modo normal. As cargas de alta tensão são energizadas sequencialmente.

O sistema de limitação de corrente de inrush mais simples, usado em muitos dispositivos eletrônicos de consumo, é um resistor NTC . Quando frio, sua alta resistência permite que uma pequena corrente pré-carregue o capacitor do reservatório . Após o aquecimento, sua baixa resistência passa com mais eficiência a corrente de trabalho.

Muitos sistemas de correção de fator de potência ativo também incluem partida suave .

Se o circuito do exemplo anterior for usado com um circuito de pré-carga que limita o dV / dT a menos de 600 volts por segundo, então a corrente de pico será reduzida de 670 amperes para 7 amperes. Esta é uma maneira "mais gentil e suave" de ativar um sistema de distribuição de energia CC de alta tensão.

Benefícios da pré-carga

O principal benefício de evitar o estresse dos componentes durante a inicialização é obter uma longa vida operacional do sistema devido aos componentes confiáveis ​​e de longa duração.

Existem benefícios adicionais: o pré-carregamento reduz os riscos elétricos que podem ocorrer quando a integridade do sistema é comprometida devido a danos ou falha de hardware. Ativar o sistema CC de alta tensão em um curto-circuito ou falha de aterramento ou em pessoas desavisadas e seus equipamentos pode ter efeitos indesejados. O arco elétrico será minimizado se uma função de pré-carga diminuir o tempo de ativação de uma inicialização de alta tensão. Uma pré-carga lenta também reduzirá a tensão em um circuito defeituoso que se acumula enquanto os diagnósticos do sistema ficam on-line. Isso permite um desligamento do diagnóstico antes que a falha seja totalmente percebida nas proporções do pior caso.

Em casos onde a corrente de inrush ilimitada é grande o suficiente para desarmar o disjuntor da fonte , uma pré-carga lenta pode até ser necessária para evitar o desarme incômodo.

O pré-carregamento é comumente usado em aplicações de veículos elétricos a bateria . A corrente para o motor é regulada por um controlador que emprega grandes capacitores em seu circuito de entrada. Esses sistemas normalmente têm contatores (um relé de alta corrente ) para desabilitar o sistema durante os períodos inativos e para agir como uma desconexão de emergência caso o regulador de corrente do motor falhe em um estado ativo. Sem pré-carga, a alta tensão nos contatores e a corrente de inrush podem causar um breve arco que causará corrosão nos contatos. O pré-carregamento dos capacitores de entrada do controlador (normalmente de 90 a 95 por cento da tensão aplicada da bateria) elimina o problema de corrosão. A corrente para manter a carga é tão baixa que alguns sistemas aplicam a pré-carga em todos os momentos, exceto ao carregar as baterias, enquanto os sistemas mais complexos aplicam a pré-carga como parte da sequência de partida e adiarão o fechamento do contator principal até o pré- nível de tensão de carga é detectado como suficientemente alto.

Aplicações em sistemas de energia de alta tensão

• Corrente contínua de alta tensão
• Veículos elétricos a bateria
• Veículo híbrido
• Sistema de Combate Futuro
• Bicicleta motorizada
• Sistema auxiliar de energia elétrica

Referências