Praca w przetwarzaniu

BUUE

Politechnika Radomska

Radom, ul. Malczewskiego 29

Tytuł pracy:

Zabronione jest kopiowanie pracy w częściach lub całości bez zgody prowadzącego prace.

Prowadzący pracę: Dr inż. Jerzy Szymański

SPIS TREŚCI

1. WSTĘP

1. Podstawy formalne wykonania pracy

Podstawy formalne wykonania pracy

Praca realizowana jest w ramach działalności statutowej IST na podstawie zlecenia 2265/46/P.

Praca przewidziana jest jako wieloetapowa - dwuetapowa.

Niniejsze sprawozdanie obejmuje etap II, w którym poddano analizie zagadnienia bezpieczeństwa użytkowania i ochrony przeciwporażeniowej przemysłowych niskonapięciowych napędów z napięciowymi przemiennikami częstotliwości, określonych szczegółowo w dalszej części opracowania, gdzie główną część stanowi: określenie podstawowych źródeł zwiększonego zagrożenia porażeniowego zależnie od budowy urządzenia jak i instalacji elektrycznej oraz analiza głównych kierunków rozwoju energoelektroniki, maszyn elektrycznych i napędów, poprawiających bezpieczeństwo ich użytkowania.

Wprowadzenie

Notowany od wielu lat dynamiczny rozwój urządzeń energoelektronicznych jest wspomagany w ostatnim okresie przez sterowanie komputerowe. Masowo są produkowane urządzenia prostownikowe i falownikowe z tyrystorami klasycznymi, tranzystorami IGBT i MOSFET oraz tyrystorami GTO.

Urządzenia energoelektroniczne służą do przekształcania energii elektrycznej prądu stałego i przemiennego, do sterowania jej przepływem oraz do celów łączeniowych. Zmieniają one wartość i częstotliwość napięcia, dostosowując parametry zasilania do aktualnych potrzeb odbiorników energii elektrycznej.

Do przekształcania energii są stosowane przyrządy półprzewodnikowe np.:

- niesterowalne (diody),

- półsterowalne (tyrystory klasyczne) w których steruje się tylko ich załączaniem, - w pełni sterowalne (tyrystory typu GTO lub tranzystory IGBT), pozwalające sterować ich załączaniem i wyłączaniem.

Do przekształtnika energia elektryczna jest doprowadzana zwykle z sieci napięcia przemiennego o stałej częstotliwości (najczęściej 230/400 V) i następnie przekształcana. Za pomocą układów prostowniczych energia może być przekształcana na energię prądu stałego, dzięki czemu uzyskujemy korzystniejsze wskaźniki w porównaniu z prądem przemiennym. Przemienniki prądu stałego umożliwiają przekształcanie energii źródła prądu stałego na inne nastawiane lub regulowane źródła energii. Układy falownikowe służą do przekształcania energii prądu stałego na energię prądu przemiennego o stałej lub regulowanej częstotliwości i różnym napięciu. Przemienniki prądu przemiennego są przede wszystkim przeznaczone do zmiany częstotliwości, niekiedy z jednoczesną zmianą napięcia, gdy stosowane są w napędach silników prądu przemiennego.

Każde urządzenie energoelektroniczne powinno być bezpieczne i nieuciążliwe dla obsługi i otoczenia, w którym zostało zainstalowane i jest eksploatowane, zarówno w stanie normalnej jego pracy jak i w stanach awaryjnych. Po uszkodzeniu izolacji na częściach metalowych dostępnych dla obsługi nie powinno wystąpić napięcie zagrażające porażeniem elektrycznym. Dobór środków chroniących urządzenia należy prowadzić indywidualnie w zależności od topologii układu, sposobu zasilania oraz zastosowania.

Wymagania dotyczące bezpieczeństwa urządzeń energoelektronicznych są uzależnione od ich mocy i kwalifikacji personelu. Urządzenia większej mocy (umownie przyjmuje się moc powyżej 5kW) są adresowane do użytkowników przemysłowych, którzy powinni znać zasady bezpiecznej pracy. W stosunku do urządzeń energoelektronicznych mniejszej mocy, przewidywanych do stosowania przez personel niewykwalifikowany, wymagania w zakresie bezpieczeństwa powinny być zaostrzone. Ochrona przeciwporażeniowa dla obsługi oraz użytkowników urządzeń i instalacji elektrycznych powinna być realizowana w taki sposób, aby w przypadku różnorodnych uszkodzeń urządzeń i instalacji oraz błędnych działań i zachowań ludzi następowało:

- niedopuszczenie do przepływu przez ciało człowieka prądu powodującego porażenie;

- ograniczenie prądu rażeniowego;

- ograniczenie czasu przepływu prądu rażeniowego dzięki szybkiemu wyłączeniu obwodu, w którym nastąpiło zagrożenie porażeniem.

Każde wyprodukowane urządzenie energoelektroniczne powinno spełniać określone wymagania co do parametrów znamionowych. Muszą też być spełnione zasady (ujęte w normach ogólnych) obowiązujące przy konstruowaniu urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Praktyka wykazuje, że zagadnienia związane z bezpieczeństwem i kompatybilnością należy rozpatrywać w okresie rozpoczynania opracowań nowych urządzeń. Dopasowanie wykonanych układów do wymagań bezpiecznej pracy urządzeń prowadzi do bardzo kosztownych rozwiązań.

W etapie pierwszym omówiono ogólne zagadnienia dotyczące ochrony przeciwporażeniowej przemysłowych energoelektronicznych odbiorników energii wynikające z dostępnej literatury i norm. Celem obecnego, drugiego etapu pracy jest przedstawienie wybranych, istotnych dla zapewnienia niezawodności i bezpieczeństwa, zagadnień budowy instalacji z energoelektronicznymi układami napędowymi zasilanymi z sieci TN-S jak i IT, ze szczególnym uwzględnieniem zagrożeń wynikających z ich topologii i rodzajów wytwarzanych zaburzeń. Analizę teoretyczną poparto badaniami symulacyjnymi i pomiarami.

2. Cel, charakterystyka i zakres pracy

Celem pracy: Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach napędowych z przekształtnikami energoelektronicznymi - zlecenie 2265/46/P, jest opracowanie koncepcji i wykonanie badań symulacyjnych określających własności instalacji zasilania przemienników częstotliwości w układach napędowych w aspekcie bezpieczeństwa eksploatacyjnego. Analizowana jest zarówno sieć TN, jak i IT. Zasilanie niskim napięciem, napięcie fazowe do 0,6kV, jest powszechnie stosowane w napędach przemysłowych z silnikami małych i średnich mocy. Zagadnienia właściwie realizowanej ochrony przeciwporażeniowej mają w tych aplikacjach podstawowe znaczenie. Jednak bezpieczeństwo eksploatacyjne jest tu rozumiane także jako działania techniczne nie prowadzące do nieuzasadnionych wyłączeń napędu i nie powodujące uszkodzeń wewnętrznych przekształtników.

Przy czym przemiennik częstotliwości powinien charakteryzować się maksymalnie dużą sprawnością w całym zakresie regulacji częstotliwości i pobierać z sieci jedynie moc czynną.

Poszukiwane są możliwości ograniczenia oddziaływania przemienników częstotliwości na sieć zasilania wywołujące niewłaściwą pracę technicznych środków ochrony przeciwporażeniowej i współprace z nimi silnik. (I etap pracy). Analiza stanów pracy awaryjnej i bezpieczeństwa eksploatacyjnego instalacji napędowych z przemiennikami napięciowymi (II etap).

2. Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach
   z Urządzeniami elektrycznymi:

Aktualna sytuacja prawna z komentarzem do obowiązujących norm technicznych. Techniczne i organizacyjne środki ochrony przeciwporażeniowej w różnych systemach zasilania

1. Ogólne kryteria ochrony przeciw porażeniowej przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim.

Przyczyny zagrożenia porażeniem elektrycznym i sposoby zapobiegania tym zagrożeniom.

Prąd elektryczny przepływający przez ciało człowieka lub zwierzęcia, zwany prądem rażeniowym, może wywołać skutki patofizjologiczne groźne dla zdrowia, a nawet życia rażonego.

Przyczyną przepływu prądu rażeniowego jest dotknięcie przez rażonego dwóch części przewodzących o różnych potencjałach. Zwykle są to: części urządzenia elektrycznego i część przewodząca obca mająca potencjał ziemi.

Rozróżnia się przy tym dwie sytuacje:

• dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części czynnej urządzenia elektrycznego, która znajduje się pod napięciem roboczym sieci (przyczyna zwana dotykiem bezpośrednim),

• dotknięcie przez człowieka (zwierzę) części przewodzącej dostępnej, która znalazła się pod napięciem, zwanym napięciem dotykowym, w wyniku uszkodzenia izolacji urządzenia elektrycznego (przyczyna zwana dotykiem pośrednim).

Aby zapobiec porażeniom elektrycznym w instalacjach elektrycznych stosuje się środki ochrony przeciwporażeniowej. Wymagane rozwiązania techniczne tych środków zależą od stopnia zagrożenia porażeniowego.

Stopień zagrożenia porażenia elektrycznego zależy od:

prawdopodobieństwa znalezienia się człowieka pod napięciem, w wyniku którego nastąpi rażenie.

parametrów prądu rażeniowego.

W praktyce przyjmuje się, że na dobór środków ochrony przeciwporażeniowej mają wpływ:

• sposób użytkowania odbiorników elektrycznych,

• kwalifikacje osób użytkujących instalacje i urządzenia elektryczne,

• styczność ludzi z potencjałem ziemi,

• rezystancja ciała człowieka.

Zależnie od rodzaju i sposobu użytkowania odbiornika elektrycznego można stosować zarówno techniczne jak i/lub organizacyjne środki ochrony przeciwporażeniowej.

Wymagania obowiązującej obecnie normy PN-IEC 60364 oraz innych aktów prawnych dotyczące zasad stosowania środków ochrony przeciwpożarowej oparte zostały na strukturze trójstopniowej.

1. Zasada realizacji trójstopniowej ochrony przeciwporażeniowej w instalacjach elektrycznych niskiego napięcia[1].

Trójstopniową strukturę ochrony przeciwpożarowej tworzą:

- ochrona przed dotykiem bezpośrednim (ochrona podstawowa),

- ochrona przy (przed) dotyku pośrednim (ochrona dodatkowa),

- ochrona uzupełniająca ochronę bezpośrednią lub pośrednią.

Ochrona uzupełniająca środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim nie jest obowiązkowa i może polegać na zastosowaniu wysokoczułego wyłącznika różnicowoprądowego.

Nie może on być samodzielnym środkiem ochrony przed dotykiem, gdyż nie spełnia wymagań stawianych takiej ochronie (nie zapobiega dotknięciu części czynnych i nie ogranicza prądu rażeniowego), ale skutecznie może wyłączać zasilanie, gdy człowiek dotknie części czynnej lub obcej przewodzącej na której pojawiło się napięcie wyższe niż dopuszczane długotrwale wskutek uszkodzenia odbiornika.

Taki środek uzupełniający zaleca się stosować tylko wtedy, gdy dotknięcie części czynnych jest prawdopodobne (np. przy pracach remontowych lub pracach w pobliżu nieosłoniętych części czynnych).

Stosowanie takiego środka ochrony nie powinno powodować wyłączania urządzenia przy wystąpieniu innych zdarzeń nie związanych z ochroną przeciwporażeniową, bez sygnalizowania przyczyny wyłączenia (np. przy stosowaniu wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych typu AC lub A w obwodach zasilania odbiorników energoelektronicznych).

Ochrona uzupełniająca środki ochrony przy dotyku pośrednim może być stosowana, gdy właściwe środki ochrony przy dotyku pośrednim nie zapewniają pełnej ochrony. Środkiem takiej ochrony przeciwpożarowej są np. połączenia wyrównawcze (wyrównujące potencjały części, których może jednocześnie dotknąć człowiek). Połączenia wyrównawcze nie mogą samodzielnie stanowić środka ochrony przy dotyku pośrednim, gdyż nie spełniają wymagań stawianych takim środkom.

1. Zadania ochrony przed dotykiem bezpośrednim

Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkami dotyku bezpośredniego wymagane jest stosowanie ochrony w postaci odpowiednich środków technicznych.

Ochrona przed dotykiem bezpośrednim spełnia swoje zadania, jeżeli:

• uniemożliwia przepływ prądu elektrycznego przez ciało człowieka (uniemożliwia dotknięcie takich części), gdy instalacja pracuje normalnie (nie jest uszkodzona) lub

• ogranicza wartość prądu rażeniowego do wartości nie stwarzającej zagrożenia dla zdrowia lub życia, gdy w warunkach normalnej pracy instalacji człowiek może dotknąć części czynnej.

Zasady i ogólne kryteria skuteczności ochrony uniemożliwiającej dotyk bezpośredni.

Uniemożliwienie przepływu prądu przez ciało człowieka jest sposobem ochrony przed dotykiem bezpośrednim wszędzie tam, gdzie dla zasilania odbiorników elektrycznych nie jest możliwe zastosowanie sieci i instalacji o napięciu znamionowym nie stwarzającym zagrożenia zdrowia lub życia. Dla realizacji tego celu wymaga się stosowania środków technicznych oddzielających części czynne od człowieka. Oddzielenie to powinno zapobiegać zarówno niezamierzonemu, jak i zamierzonemu dotykowi bezpośredniemu.

Od tej zasady dopuszcza się odstępstwa w miejscach wydzielonych dla celów elektroenergetycznych, tzn. w miejscach, w których przebywać mogą jedynie osoby posiadające odpowiednie kwalifikacje i spełnione są dodatkowe wymagania. W takich miejscach dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim jedynie uniemożliwiających dotyk niezamierzony.

Ochrona zarówno przed niezamierzonym, jak i zamierzonym dotknięciem części czynnych realizowana jest przez zastosowanie izolacji podstawowej lub/i zastosowanie obudowy lub ogrodzenia części czynnych (obudowę i ogrodzenie można określić jednym, bardziej ogólnym terminem - przegroda).

Izolacja podstawowa powinna obejmować całą dostępną powierzchnie części czynnej, mieć odpowiednią do napięcia znamionowego urządzenia wytrzymałość elektryczną i odporność na narażenia środowiskowe występujące w miejscu eksploatacji urządzenia. Usunięcie takiej izolacji może być możliwe tylko przez jej zniszczenie.

Obudowy i ogrodzenia (przegrody) powinny być oddalone do części czynnych odpowiednio do napięcia znamionowego urządzenia i rodzaju zastosowanej izolacji roboczej. Powinny zapewniać stopień ochrony przed dotykiem zależny od prawdopodobieństwa takiego zdarzenia. Zwykle wymaga się, aby obudowa lub ogrodzenie uniemożliwiały dotknięcie części czynnych palcem (stopień ochrony, co najmniej IP2X). Gdy wymagają tego normalne procesy wymiany części lub łączenia bezprądowego (np. wymiana bezpiecznika, wymiana źródła światła, łączenie przez gniazdko wtykowe), dopuszczony jest niższy stopień ochrony, ustalony dla właściwego funkcjonowania urządzenia w normie na wyrób. Obudowy, które chronią przed dotykiem części czynnych od góry, powinny mieć stopień ochrony uniemożliwiający dotknięcie części czynnych za pośrednictwem drutu (stopień, co najmniej IP4X).

Obudowy i ogrodzenia stosowane dla celów ochrony przed dotykiem bezpośrednim powinny być trwale zamocowane, mieć dostateczną stabilność i trwałość, zapobiegającą utrzymanie wymaganego stopnia ochrony w warunkach, w których są one eksploatowane. Usunięcie części lub całej przegrody powinno być możliwe tylko przy zastosowaniu specjalnych narzędzi lub po dodatkowym osłonięciu części czynnych albo po wyłączeniu napięcia.

Ochrona zapobiegająca jedynie niezamierzonemu dotknięciu części czynnych jest realizowana przez zastosowanie środków technicznych w postaci barier (poprawniej - przeszkód) lub umieszczenia części czynnych w odpowiedniej odległości (w różnych kierunkach) od dostępnych stanowisk.

W pierwszym przypadku wymagania powinny ograniczać się do podania wysokości przeszkód i konieczności zastosowania zabezpieczeń uniemożliwiających niezamierzone ich usunięcie. W drugim przypadku podawane są minimalne odległości od dostępnych stanowisk. Wynoszą one dla drogi ręka-stopy: 1,25 m w poziomie i w dół od brzegu stanowiska, 2,5 m w górę od stanowiska i 0,75 m poziomo pod stanowiskiem, (jeżeli takie możliwości występują). Dla drogi rażenia ręka-ręka odległość ta wynosi 2 m.

Ochrona taka ma ograniczony zakres stosowania. Stosować ją można [2,4,5] jedynie w miejscach, w których przebywają tylko osoby poinstruowane (BA4) lub wykwalifikowane (BA5) i jeżeli jednocześnie w miejscach tych spełnione są następujące warunki:

• napięcie znamionowe urządzeń nie przekracza II zakresu napięciowego,

• zachowane są minimalne wymiary korytarzy nadzoru i korytarzy obsługi oraz dostęp do tych korytarzy,

• zastosowano przejrzyste i widoczne oznakowania odpowiednimi tablicami i znakami bezpieczeństwa.

Zasady i ogólne kryteria skuteczności ochrony ograniczającej wartość prądu rażeniowego przy dotyku bezpośrednim.

Ochrona ograniczająca wartość prądu rażeniowego do wartości uznanej za dopuszczalną może być realizowana jedynie przez ograniczenie napięcia znamionowego urządzeń elektrycznych przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dodatkowych prowadzących do pewnego odseparowania obwodów bardzo niskiego napięcia od obwodów wyższych napięć. Zakres ograniczenia napięcia powinien przy tym zależeć od warunków środowiskowych wpływających na stopień zagrożenia pożarowego. Ochrona taka wymaga stosowania napięć prądu przemiennego 25 V, 12 V, lub 6 V lub napięć prądu stałego 60 V, 30 V lub 15 V.

Przypadki, w których dopuszcza się niestosowanie ochrony przed dotykiem bezpośrednim.

Dopuszcza się stosowanie technicznych środków ochrony przed dotykiem bezpośrednim, jeżeli urządzenia elektryczne są dostępne jedynie dla osób poinstruowanych (BA4) lub wykwalifikowanych (BA5), należycie zaznajomionych w zakresie szczegółowych wymagań i jeżeli jednocześnie są spełniane następujące warunki:

• miejsca te są w sposób przejrzysty i widoczny oznakowane odpowiednimi tablicami i znakami bezpieczeństwa,

• dostęp do tych miejsc jest możliwy tylko przy użyciu specjalnych narzędzi lub urządzeń,

• drzwi wejściowe do zamykanych pomieszczeń ruchu elektrycznego umożliwiają łatwe wyjście na zewnątrz i otwierają się na zewnątrz bez użycia klucza, nawet, jeżeli są one zamykane na klucz,

• wymiary korytarzy spełniają wymagania normy PN-IEC 364-4-481 [3].

1. Ochrona przy dotyku pośrednim

Ogólne kryteria skuteczności ochrony przy dotyku pośrednim.

Dla zabezpieczenia ludzi przed skutkiem dotyku pośredniego powinny być stosowane środki techniczne, które:

• powodują samoczynne odłączenie zasilania w wymaganym czasie, gdy prąd rażeniowy przekracza wartość przyjętą za dopuszczalną długotrwale (AC-30mA),

• uniemożliwiają przepływ prądu rażeniowego przy dotyku części przewodzących dostępnych i obcych lub

• ograniczają przy dotyku pośrednim prąd rażeniowy do wartości przyjętej za dopuszczalną długotrwale.

Zasady i kryteria skuteczności ochrony przez samoczynne wyłączenie zasilania.

Najczęściej stosowaną ochroną przed dotykiem pośrednim jest ochrona przez samoczynne wyłączanie zasilania. Polega ona na połączeniu części przewodzących dostępnych z przewodem ochronnym PE dla stworzenia pętli zwarcia o impedancji skoordynowanej z charakterystyką zwarciową zabezpieczenia uszkodzonego obwodu (obwodu, w którym powstało zagrożenie). Ochrona przez samoczynne włączanie zasilania wymaga, więc skoordynowanego typu układu sieciowego (systemu stosowanych w sieci uziemień), zakresu zastosowania i parametrów przewodów ochronnych oraz niektórych uziemień z zastosowanymi zabezpieczeniami obwodu uszkodzonego. Ale nie jest to warunek wystarczający, aby uznać ochronę za skuteczną. Norma PN-IEC 60364-4-41 wymaga, aby ochrona przez samoczynne wyłączanie zasilania spełnia wymagania dotyczące:

• wyłączanie zasilania,

• uziemień przewidzianych dla rozpatrywanego typu układu sieciowego,

• połączeń wyrównawczych.

Samoczynne wyłączanie zasilania obwodu, w którym powstało uszkodzenie izolacji między częścią czynną i częścią przewodzącą dostępną lub przewodem ochronnym tego obwodu, powinno nastąpić, gdy napięcie między tymi częściami a stanowiskiem w odległości poziomej równej 1 m, zwanym napięciem dotykowym, przekroczy wartość dopuszczalną długotrwale U_L. Czas samoczynnego wyłączania powinien być tym krótszy, im napięcie dotykowe jest większe, tzn. im napięcie dotykowe jest większe od wartości U_L. W warunkach normalnego zagrożenia porażeniowego U_L wynosi 50 V a.c. lub 120 V d.c. w warunkach zwiększonego zagrożenia porażeniowego ( w warunkach, w których instalacje powinny spełniać wymagania części 7 normy PN-IEC 60364, napięcia U_L mogą mieć wartość 25 V a.c. lub 60 V a.c., a nawet 12 V a.c. lub 30 V d.c.).

2. Schematy stosowanych układów sieci TN (TN-C; TN-S; TN-C-S), TT oraz IT.
   L1, L2, L3 - przewody fazowe; N - przewód neutralny; PE - przewód ochronny; PEN - przewód ochronno-neutralny; Z - impedancja; linią przerywaną oznaczono dostępne części przewodzące obudowy.

Najdłuższe czasy samoczynnego wyłączania zasilania uszkodzonego obwodu są również uzależnione od: typu sieci rys.2.2, napięcia znamionowego sieci, sposobu użytkowania urządzeń i wartości U_L.

W układzie TN maksymalne czasy wyłączania obwodów odbiorczych, zasilających bezpośrednio lub za pośrednictwem gniazd wtyczkowych urządzenia I klasy ochronności (izolacja obudowy jedynie podstawowa dołączona do zacisku PEN - sieć TN-C lub PE - sieć TN-S) ręczne lub przenośne do ręcznego przemieszczania w czasie ich obsługi zestawiono w tab. 2.1.

1. Maksymalne czasy wyłączania obwodów zasilających urządzenia I klasy, ręczne lub przenośnych do ręcznego przemieszczania w czasie obsługi, zasilanych z obwodu pracującego w układzie TN.

Napięcie znamionowe obwodu względem ziemi Uo (V)	Maksymalny czas wyłączania (s)
		UL = 50 V	UL = 25 V
120	0,8	0,35
230	0,4	0,20
277	0,4	0,20
400	0,2	0,05
400, 480	0,1	0,05
580	0,1	0,02^1)
^1) Jeżeli nie można zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony ( np. połączeń wyrównawczych)

Dopuszcza się, aby czasy samoczynnego wyłączania zasilania były dłuższe od podanych w tab. 2.1., lecz nie przekraczały 5 s w obwodach:

• rozdzielczych,

• odbiorczych zasilających urządzenia stacjonarne, jeżeli inne obwody odbiorcze, dla których czas wyłączania podano w tab. 1., są przyłączone do wspólnej rozdzielnicy w sposób spełniający jeden z następujących warunków:

• impedancja obwodu między rozdzielnicą i punktem, w którym przewód ochronny jest przyłączony do górnej szyny uziemiającej, nie przekracza wartości podanej w RN-60364-4-41 [2] (spadek napięcia nie przekracza wartości U_L) lub

• w rozdzielnicy znajdują się połączenia wyrównawcze miejscowe, przyłączone do tych samych części przewodzących obcych, co połączenia wyrównawcze główne.

Jeżeli z rozdzielnicy zasilane są obwody odbiorcze odbiorników stacjonarnych i odbiorników ręcznych i podobnych oraz nie można spełnić wymagań zaznaczonych wyżej kropkami, to dla odbiorników stacjonarnych należy zastosować czas wyłączenia zasilania taki sam, jak dla odbiorników ręcznych.

Dla uzyskania wymaganego czasu wyłączania konieczne jest spełnianie warunku:

TN

ZS x Ia ≤ U0

[ 2.1 ]

w którym:

Z_S impedancja obwodu zwarcia jednofazowego, w Ω,

I_a prąd wyłączający (powodujący samoczynne wyłączanie zasilania w wymaganym czasie), w [A],

U_O napięcie znamionowe względem ziemi, w [V].

W układzie TT maksymalny czas samoczynnego wyłączania zasilania wynosi 5 s przy stosowaniu bezpieczników lub czas zadziałania zabezpieczenia bezzwłocznego.

Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączania zasilania konieczne jest spełnienie warunku:

TT

RA x Ia ≤ UL

[ 2.2 ]

w którym:

R_A - rezystancja bezpośredniego uziemienia części przewodzącej dostępnej stwarzającej zagrożenie, w Ω

I_a - prąd wyłączający, w A,

U_L - największe dopuszczalne długotrwale napięcie dotykowe, w V.

W układzie IT, przy pojedynczym zwarciu z ziemią, ze względu na małą wartość prądu doziemnego, zwykle napięcie dotykowe nie przekracza wartości dopuszczalnej długotrwale U_L. Aby być pewnym, że tak będzie, zawsze wystarczy spełnić warunek (2.2), przy czym obliczana rezystancja R_A dla układu IT jest znacznie większa od obliczanej dla układu TT. Ten warunek jest w rzeczywistości wystarczający, jeżeli nie dopuści się do powstania zwarcia podwójnego (np. poprzez zwarcie pojedyncze będzie sygnalizowane i w możliwie krótkim czasie wyłączone). Jeżeli możliwe jest wystąpienie zwarcia podwójnego, wymagane jest samoczynne wyłączenie zasilania obwodu zwarciowego w czasie odczytanym z tab. 2.2.

2. Maksymalne czasy samoczynnego wyłączania zasilania obwodów zwarć podwójnych w układach IT

Uo/U (V)	Maksymalny czas włączania (s)
		w sieci bez przewodu neutralnego		w sieci z przewodem neutralnym
		UL = 50 V	UL = 25 V	UL = 50 V	UL = 25 V
120/240	0,8	0,4	5,0	1,0
230/400	0,4	0,2	0,8	0,5
400/690	0,2	0,06	0,4	0,2
580/1000	0,1	0,02^1)	0,2	0,08
^1)Jeżeli nie można zapewnić takiego czasu wyłączania, konieczne jest zastosowanie innych środków ochrony, np. połączeń wyrównawczych. Uo - napięcie fazowe, U - napięcie międzyfazowe.

Dla uzyskania wymaganego czasu samoczynnego wyłączenia zasilania przy zwarciach podwójnych należy spełnić warunki:

- jeżeli nie jest stosowany przewód neutralny

IT

[ 2.3 ]

- jeżeli jest stosowany przewód neutralny

IT

[ 2.4 ]

w których: U₀ i I_a oznacza, jak we wzorach [2.1] i [2.2], napięcie względem ziemi i prąd wyłączający, a Z_SP - impedancja nie całego obwodu zwarcia podwójnego, a jedynie impedancja części tego obwodu obejmująca odpowiednio przewód fazowy i przewód ochronny obwodu lub przewód neutralny i ochronny obwodu.

Wykonanie uziemień, niezbędnych dla pozytywnej oceny ochrony przez samoczynne wyłączanie zasilania, powinno doprowadzić do sytuacji, w której wszystkie części przewodzące dostępne będą miały potencjał zbliżony do potencjału ziemi. Dlatego dostępne części przewodzące powinny być połączone uziemionym przewodem ochronnym PE w sposób określony dla każdego typu układu sieciowego. Rozróżnia się przy tym dwa typy uziemień, oznaczonych symbolami R_B i R_A. Uziemienia R_B (uziemienia punktów neutralnych sieci i przewodów PEN oraz PE w sieci typu TN) nie są elementami właściwego obwodu zwarciowego, a służą głównie do przeniesienia potencjału ziemi na przewody PE zarówno w warunkach normalnej pracy urządzeń elektrycznych, jak i przy uszkodzeniu ich izolacji. Wyjątkiem od tej reguły jest uziemienie punktu neutralnego oznaczone R_B w układzie TT oraz uziemienie tego punktu w układzie TN, gdy wystąpi zwarcie doziemne z pominięciem przewodu PEN lub PE. Uziemiony R_A (uziemienia bezpośrednie części przewodzących dostępnych) są elementami obwodu zwarciowego w sieciach (obwodach) TT i IT przy pojedynczych uszkodzeniach izolacji i ich rezystancja musi być ograniczona w stopniu pozwalającym zabezpieczeniom obwodu wyłączać samoczynnie zasilanie w wymaganym czasie.

Uziemienia przewodów PEN i PE w sieciach typu TN powinny być wykonywane możliwie często, szczególnie gdy nie wymaga to ponoszenia znacznych kosztów.

Stosowanie połączeń wyrównawczych ma na celu zmniejszyć różnice potencjałów między różnymi częściami obcymi i przewodem ochronnym w całych budynkach oraz dodatkowo w niektórych ich częściach, a także ograniczyć napięcia dotykowe jeżeli przekraczają wartości dopuszczalne długotrwale i nie można wyłączyć w wymaganym czasie odbiorników powodujących ich powstanie. Taką sytuację mogą wywołać prądy upływu pojemnościowego pracujących urządzeń energoelektronicznych mocy, np. energoelektroniczne przemienniki częstotliwości w napędach silników klatkowych.

Omówienie znaczenia i wymagań stawianych połączeniom wyrównawczym powinno być omówione oddzielnie, gdyż jest to temat obszerny.

Ochrona uniemożliwiająca przepływ prądu rażeniowego przy dotyku pośrednim.

Ochrona polegająca na uniemożliwieniu przepływu prądu rażeniowego przy dotyku części przewodzących dostępnych polega w praktyce na doprowadzaniu do znacznego zmniejszenia prawdopodobieństwa uszkodzenia izolacji między częściami czynnymi i częściami przewodzącymi dostępnymi. Uzyskuje się to głównie przez zwiększenie wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej tej izolacji oraz przez odseparowanie obwodów i urządzeń odbiorczych od innych obwodów, z których mogłyby być przeniesione niebezpieczne napięcie. Są techniczne środki stosowane ochrony dla pojedynczych urządzeń i obwodów, choć zapewniają wysoki stopień bezpieczeństwa elektrycznego, zastosowanie ich w całej sieci byłoby kosztowne.

Ochrona przez ograniczanie prądu rażeniowego przy dotyku pośrednim polega na wtrąceniu w spodziewany obwód rażeniowy dodatkowych rezystancji i ewentualnie wyrównanie potencjałów, gdy zagrożenie wystąpi na innej od spodziewanej drogi rażenia. Zwykle rezystancją taką jest dodatkowa rezystancja stanowiska, łączy się ją połączeniami wyrównawczymi części jednocześnie dostępne na drodze ręka-ręka. Powierzchnie stanowiące dodatkowe rezystancje muszą spełniać wymagania dotyczące ich wartości przez cały czas stosowania (50kΩ w instalacjach o fazowym napięciu znamionowym nie przekraczającym 500V i 100kΩ w instalacjach o napięciu powyżej 500V).

Ochrona przez ograniczenie prądów rażeniowych stosowana jest tylko w ograniczonym zakresie, gdyż dopuszcza ona do powstania napięcia U_ST i nie likwiduje tego napięcia, a uzyskanie trwałości parametrów elektrycznych i mechanicznych powierzchni, które mają zachować wysoką rezystancję jest często trudne w praktyce. Napięcie pomiędzy izolowanym stanowiskiem a uziomem może być znaczącą wartość, dlatego należy zachować szczególną ostrożność przy wchodzeniu lub opuszczaniu takiego stanowiska przez pracownika.

1. Ochrona przeciwporażeniowa pośrednia (dodatkowa) realizowana poprzez samoczynne odłączenie napięcia zasilania.

1. Wyłączniki nadprądowe a skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

W instalacjach elektrycznych w przypadku pojawienia się na obudowie urządzenia napięcia mogącego doprowadzić do porażenia prądem elektrycznym, tj. wyższego od dopuszczalnego długotrwale napięcia dotykowego U_L, mamy do czynienia ze zwarciem o pomijalnej impedancji pomiędzy przewodem fazowym a przewodem ochronnym lub obudową. Z takim przypadkiem możemy mieć do czynienia w dowolnym miejscu instalacji. Płynący na skutek zwarcia prąd musi spełnić warunek samoczynnego wyłączenia napięcia w odpowiednim czasie. Do wyłączenia prądów zwarciowych służą między innymi, popularne elektromagnetyczne wyłączniki instalacyjne natychmiastowego działania typu S300, S310, S320 produkcji Legrand FAEL [3].

Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników nadprądowych.

Aby nastąpiło samoczynne wyłączenie zasilania przez urządzenie przetężeniowe (S300, S310, S320), ich charakterystyki działania muszą być właściwie dobrane na etapie projektowym. Dotyczy to szczególnie wartości prądów zadziałania wyzwalaczy bezzwłocznych. Dobranie do instalacji aparatu nadprądowego wiąże się ściśle z jego charakterystyką czasowo-prądową. Na podstawie ww. charakterystyk można określić współczynnik stosowany przy sprawdzeniu skuteczności działania zastosowanego zabezpieczenia bezzwłocznego w instalacji.

3. Wymagania stawiane wyzwalaczom wyłączników nadprądowych
   przez PN-IEC 60898.

Próba	Typ wyłącznika	Prąd probierczy	Warunki początkowe	Granice czasu zadziałania lub niezadziałania	Wynik próby	Uwagi
1	B,C,D	1,13 In	stan zimny	t ≥ 1 h (dla In ≤ 63A) t ≥ 2 h (dla In > 63A)	bez zadziałania
2	B,C,D	1,45 In	bezpośrednio po próbie 1	t ≥ 1 h (dla In ≤ 63A) t ≥ 2 h (dla In > 63A)	zadziałanie	prąd zwiększany płynnie przez 5s
3	B,C,D	2,55 In	stan zimny	1 s < t < 60 s (dla In ≤ 32A) 1 s < t < 120 s (dla In > 32A)	zadziałanie
4	B C D	3 In 5 In 10 In	stan zimny	t ≥ 0,1 s	bez zadziałania	prąd płynący po zamknięciu obwodu łącznikiem pomocniczym
5	B C D	5 In 10 In 20 In	stan zimny	t < 0,1 s	zadziałanie	prąd płynący po zamknięciu obwodu łącznikiem pomocniczym

Na rys. 2.3 przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowo czasowe wyłączników nadprądowych natychmiastowego działania. Oś A przedstawia czas zadziałania wyłącznika przy określonej krotności prądu nominalnego przepływającego przez wyłącznik przedstawionego na osi B. Natychmiastowe zadziałanie wyłącznika nastąpi odpowiednio przy prądach ok. 19I_N i 23I_N. Są to wyłączniki innego rodzaju, wykonane nie wg normy PN-IEC 60898, tab. 2.3. Są to charakterystyki wyłączników typu D.




3. Wykresy przedstawiają charakterystyki wyzwalania wyłączników nadprądowych, które można stosować do zabezpieczenia silników.

Norma PN-IEC 60898 nie jest wprowadzona odpowiednim aktem prawnym do obowiązkowego stosowania, dlatego można także stosować wyłączniki o innych charakterystykach, jeśli zapewniają skuteczniejszą ochronę niż wykonane zgodnie z cytowaną normą.

Rodzaje i dobór wyłącznika nadprądowego.

Podstawę odniesienia w tym przypadku stanowi norma PN-IEC 60898 (tab. 2.3), która w przedstawia zależności czasowo-prądowe wyzwalaczy zwłocznych i bezzwłocznych wyłączników nadprądowych, wykonanych na prądy do 125A. Informacje zawarte w tab. 2.3 dotyczą wyłączników nadprądowych o dwóch rodzajach wyzwalaczy. Pierwszy z nich jest rodzajem wyzwalacza przeciążeniowego, tzw. zwłocznego, wykorzystującego w działaniu fizyczne właściwości bimetalu. Drugi należy do wyzwalaczy zwarciowych, bezzwłocznych, opartych na pracy elektromagnesu. Na podstawie danych z tabeli można wykreślić przebieg charakterystyki czasowo-prądowej pasmowej wyłączników. Przy doborze wyłącznika natychmiastowego działania B, C lub D należy kierować się zasadą, aby przy wystąpieniu prądu zwarciowego, impedancja zwarciowa umożliwiła przepływ prądu zwarciowego o maksymalnej wartości zapewniającej natychmiastowe zadziałanie wyłącznika (tj. poniżej 0.1s). Dla wyłącznika typu D stosowanego przy zasilaniu silników większych mocy o ciężkim rozruchu prąd zwarciowy umożliwiający jego natychmiastowe zadziałanie będzie miał wartość 20xI_N.

2. Bezpieczniki topikowe a skuteczność ochrony przeciwporażeniowej.

Charakterystykę wyłączania bezpiecznika opisują zależności między szybkością wyłączania a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i zwłoczne. Wersję szybką stosuje się w szczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba przerwać jak najszybciej, np. na wejściu przyrządów pomiarowych, urządzeń energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa. Pojęcie szybkiego działania bezpiecznika topikowego należy rozumieć w ten sposób, że przepalenie się bezpiecznika nastąpi przy mniejszej krotności prądu nominalnego, w określonym przez warunki eksploatacji urządzenia czasie, np. 0.2s (patrz tab 2.3). Tym mniejsza będzie krotność prądu przepalenia się bezpiecznika im szybszy będzie bezpiecznik. Bezpieczniki szybkie są droższe od zwłocznych, dlatego należy rozważyć konieczność ich zastosowania.

Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy odbiornik pobiera wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik przy włączaniu. Zwiększony prąd przy załączaniu pobierają także transformatory.

Zastosowanie bezpieczników jako ochrony pośredniej wyczerpuje konieczność powstania widocznej przerwy galwanicznej po zadziałaniu tego zabezpieczenia. Odbiornik elektryczny spełnia warunki ochrony przeciwporażeniowej jeśli prawidłowo zastosowana jest jednocześnie ochrona podstawowa. Norma PN-EN 60364, określająca zasady stosowania środków ochrony przeciwpożarowej nie narzuca konieczności stosowania uzupełniającej ochrony poprzez stosowanie np. wysokoczułych wyłączników różnicowo-prądowych (I_r = 30mA).

Panująca „moda techniczna” na powszechne stosowanie tej uzupełniającej ochrony z użyciem wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych w instalacjach domowych przeniosła się do instalacji przemysłowych. Prowadzi to często do niezasadnego wyłączania urządzeń i maszyn w instancjach przemysłowych, a tym samym strat ekonomicznych. Ponowne włączenie maszyny roboczej wskutek zadziałania takiego zabezpieczenia powinno być dokonane przez służby elektryczne odpowiedzialne za stan techniczny urządzeń. Należy zawsze starać się zidentyfikować przyczynę zadziałania takiego zabezpieczenia Urządzenia przemysłowe są one często generatorami znacznych prądów upływu w normalnych warunkach eksploatacji. Prądy te mogą powodować często dość przypadkowe wyłączanie urządzenia. W takich przypadkach należy zrezygnować ze stosowania wysokoczułego wyłącznika różnicowoprądowego jako uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej i przykładowo zastosować wyłącznik różnicowoprądowy o większych prądach od 30mA, np. 100mA. Taki wyłącznik będzie pracował jako zabezpieczenie przeciwpożarowe, chociaż także w wielu przypadkach będzie też chronił człowieka. Należy pamiętać, że urządzenia przemysłowe mogą różnorodnie oddziaływać na sieć zasilania, szczególnie teraz przy dużym nasyceniu instalacji odbiornikami nieliniowymi. Dlatego zamiast technicznych środków ochrony coraz większe znaczenie mają środki organizacyjne, np. szkolenia BHP, instrukcje obsługi maszyn itp.

Oczywiście dotknięcie się przez człowieka części czynnej przewodzącej będącej pod napięciem w czasie normalnej pracy urządzenia (maszyny) spowoduje porażenie człowieka. Nie zadziała ochrona dodatkowa i nie nastąpi odłączenie zasilania odbiornika jeśli nie zastosowano ochrony uzupełniającej z odpowiednim wyłącznikiem różnicowoprądowym. Pytanie tylko jak doszło do usunięcia izolacji z przewodu będącego pod napięciem lub jak doszło do usunięcia (otwarcia) obudowy (osłony) urządzenia, a więc uszkodzenia (usunięcia) ochrony podstawowej? Jeśli to zrobił ktoś świadomie lub nieświadomie np. przez zaniedbanie, to sprawa nosi znamiona przestępstwa. Nastąpiło świadome lub nieświadome zagrożenie zdrowia, a nawet życia innych osób.

Charakterystyki czasowo-prądowe bezpieczników topikowych.

Dla omówienia własności ochronnych bezpieczników topikowych należy zdefiniować ich parametry. Ich definicje przytoczono poniżej [7].

Napięcie znamionowe - to największe trwałe napięcie, oraz jego charakter (zmienne lub stale), przy którym można stosować dany bezpiecznik.

Prąd znamionowy - to wartość prądu roboczego, do którego przystosowany jest dany bezpiecznik. Jest on nieco mniejszy od prądu, jaki może trwale płynąć bez zadziałania bezpiecznika. Różnice między tymi wartościami są zróżnicowane, zależnie od standardu wytwarzania, np. CSA, IEC, UL. W dalszej części opracowania wykorzystywane są definicje stosowane w normach opartych na standardzie międzynarodowym IEC.

Charakterystyka wyłączania - opisuje zależność między szybkością wyłączania a wartością prądu. Są tu dwie podstawowe grupy: bezpieczniki szybkie i zwłoczne. Wersje szybką stosuje się w poszczególnych przypadkach, gdy prąd trzeba przerwać jak najszybciej - np. na wejściu zasilania wielu urządzeń elektronicznych lub energoelektronicznych. Są one czasem niezbędne ze względów bezpieczeństwa, np. jeśli wartość impedancji zwarciowej jest zbyt duża i uniemożliwia stosowanie bezpieczników zwłocznych. Bezpieczniki zwłoczne potrzebne są w przypadkach, gdy odbiornik pobiera wysoki prąd w chwili rozruchu, np. silnik załączany bezpośrednio z sieci zasilania, transformator zwłaszcza toroidalny.

Zdolność łączeniowa - to najwyższy prąd, jaki dany bezpiecznik może przerwać przy danym napięciu zasilania, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia jego obudowy. Specyfikacja zdolności łączeniowej może obejmować np. wartość prądu przerwania, wartość napięcia roboczego i jego rodzaj (zmienne lub stałe). Zdolność łączeniowa musi być dobrana biorąc pod uwagę warunki ekstremalne, np. przy zwarciach należy się liczyć z maksymalnym prądem jaki może popłynąć ze źródła.

Charakterystyki bezpieczników są znormalizowane. W standardzie IEC wyróżnia się typ FF (bardzo szybki), F (szybki), M (dość szybki), T (opóźniony), i TT (zwłoczny). W standardzie UL są np. T-D (opóźniony) i D (zwłoczny), rys. 2.4.




4. Charakterystyki zależności czasu przepalenia od krotności prądu nominalnego dla różnych typów bezpieczników topikowych wg standardu IEC.

W normie PN-EN60269-1:2001 [DIN VDE 0636, (IEC 60269)] dla niskiego napięcia bezpieczniki łączy się w grupy klasyfikując je w zależności od pełnionej funkcji charakterystyk roboczych. Rozróżnia się dwa zakresy wyłączania oraz stosuje się odpowiednie oznaczenie wkładek bezpiecznikowych. Pierwsza litera oznacza zakres wyłączania:

g - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania,

a - wkładka topikowa o częściowym zakresie zdolności wyłączania.

Druga litera (znak dwuliterowy) oznacza kategorię użytkowania, np:

G - powszechne zabezpieczenie kabli i instalacji kablowych, ogólne zastosowania,

M - zabezpieczenie wyłączników, przełączników i silników,

R - zabezpieczenie półprzewodników,

B - bezpieczniki główne (zabezpieczenie główne),

Tr - zabezpieczenie transformatorów.

Oznaczenia wkładek topikowych mają postać:

gG/gL - wkładka topikowa o pełnym zakresie zdolności wyłączania przeznaczona do ogólnych zastosowań,

aM/gM - wkładka topikowa o częściowym/pełnym zakresie zdolności wyłączania przeznaczona do zabezpieczania obwodów silnikowych.

Wkładki typu aR lub gR są szeroko stosowane przy zabezpieczeniu elementów półprzewodnikowych i urządzeń elektronicznych oraz energoelektronicznych. Przykładowe charakterystyki czasowo-prądowe wkładek bezpiecznikowych przedstawiono na rys. 2.5.

Jeśli wkładka bezpiecznikowa nie ma specjalnych oznaczeń to jest przeznaczona do pracy przy prądach przemiennych o częstotliwościach 45-62 Hz.




5. Wykresy charakterystyk wybranych rodzajów bezpieczników stosowanych zabezpieczeniach instalacji napędów z przekształtnikami półprzewodnikowymi.

Parametrem charakteryzującym zdolności wyłączania prądów wkładkę bezpiecznikową jest także podawana przez producenta charakterystyka całki prądu (całki Joule'a) I²t. Dla pracy przedłukowej obrazuje ona najmniejszą wartość ciepła wydzielonego, które morze wystąpić w eksploatacji od czasu poniżej 0,1s, aż do czasu odpowiadającego znamionowej zdolności wyłączania [6].

Definicję całki prądu I²t przedstawia wyrażenie poniżej:

[ 2.5 ]

3. Zasady doboru wyłącznika nadprądowego lub wkładki bezpiecznikoweji przykładowe obliczenia.

Układ sieci zasilania typu TN

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim w obwodach układu sieciowego TN z zabezpieczeniami przetężeniowymi (samoczynne wyłączenie zasilania). Impedancja pętli zwarciowej powinna mieć tak małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący w pętli zwarciowej osiągnął dostatecznie dużą wartość zapewniającą zadziałanie przetężeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s; czy do 5s.

Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetężeniowego należy ustalić:

• Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia fazowego (w stosunku do ziemi) U₀ i dopuszczalnego długotrwałego napięcia dotyku U_L (z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie TN, wg normy PN-IEC60364).

• Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe) ustalamy wartość prądu I_a powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w czasie ustalonym w poprzednim punkcie.

Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk pasmowych.

Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej często podaje się je w postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje się odczytane i wyliczone wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia) wkładek topikowych dla czasów 0,2s; 0,4s; 5s.

Dla elektromagnetycznych wyłączników nadmiarowo-prądowych, np. typu S190 prąd wyłączalny obliczany ze wzorów:

I_a = 3I_n dla wyłączników o charakterystyce A,

I_a = 5I_n dla wyłączników o charakterystyce B,

I_a = 10I_n dla wyłączników o charakterystyce C,

I_a = 20I_n dla wyłączników o charakterystyce D

Korzystając z zależności;

TN

[ 2.6 ]

gdzie: Z_s - impedancja pętli zwarcia w [Ω], U₀ - napięcie znamionowe względem ziemi w [V], I_a - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w [A].

obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej, gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.

Przykład 1

Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG32A i jest zainstalowany na wolnym powietrzu do napędu wentylatora.

Ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej pośredniej, jeżeli zmierzona wartość impedancji pętli zwarciowej Z_Spom wynosi 0,6Ω.

Dane liczbowe:

U₀ = 230V, U_L = 25V (warunki o zwiększonym zagrożeniu - przestrzeń otwarta, dostęp osób postronnych), Z_Spom = 0,6Ω, I_n = 32A dla wkładki WT-1/gG

Z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie TN dla U₀ = 230V i U_L =25V odczytujemy czas 0,2s.

Z tablicy parametrów technicznych wkładki typu WT-1/gG o prądzie znamionowym I_n = 32A odczytujemy prąd samoczynnego zadziałania dla czasu 0,2s, I_a = 290,3A. Prąd I_a bezpiecznika możemy także wyznaczyć na podstawie podanego przez producenta współczynnika k = I_a/I_n, dla analizowanego przypadku odczytana wartość k =9,0.

Obliczona dopuszczalna wartość impedancji Z_S:

TN

[2.7]

Wniosek:

Ochrona przeciwporażeniowa jest skuteczna ponieważ wartość impedancji zmierzonej jest mniejsza od wartości impedancji dopuszczalnej.

TN

ZSpom < ZS   (0,6Ω < 0,79Ω)

[2.8]

W analizowanym przykładzie skuteczną ochronę przeciwporażeniową spełnią także wyłączniki nadprądowe (nadmiarowo prądowe, przetężeniowe) natychmiastowego działania typu B i C. Nie zapewnia jej wyłącznik typu D (Z_S = 230V/32A x 20 =0,36Ω).

Układ sieci zasilania typu TT

Pomiar rezystancji uziemienia ochronnego R_A jest podstawowym pomiarem w ocenie skuteczności przed dotykiem pośrednim w układzie sieci TT, przy zastosowaniu jako środka ochrony samoczynnego wyłączenia zasilania.

Rezystancja uziemienia R_A, powinna mieć na tyle małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący przez rezystancje uziemienia uziomu i rezystancję przewodów łączących uziom z częściami przewodzącymi dostępnymi (obudowy metalowe) nie powodował powstania napięcia dotyku większego niż napięcie bezpieczne w danych warunkach środowiskowych U_L (np. 50V lub 25V).

Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów należy ustalić:

• Warunki środowiskowe, w oparciu o które przyjmujemy U_L = 50V dla warunków normalnych i U_L = 25V dla warunków o zwiększonym zagrożeniu.

• Korzystając z charakterystyk czasowo-prądowych i danych znamionowych urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki instalacyjne nadmiarowo prądowe), ustalamy wartość prądu I_a powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w czasie do 5 s.

Korzystając z zależności;

TT

[2.9 ]

gdzie: R_A - rezystancja uziemienia ochronnego uziomu wraz z rezystancją przewodów łączących uziom z chronionymi częściami przewodzącymi obcymi w Ω, I_a - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia w [A] w czasie do 5s, U_L - dopuszczalna w danych warunkach środowiskowych wartość napięcia dotykowego w [V].

obliczamy dopuszczalną wartość uziemienia ochronnego R_A, które nie zawsze zapewnia wyłączenie urządzeń nadmiarowo prądowych. Z reguły w sieci TT prąd zwarciowy nie osiąga wartości prądu wyłączającego I_a , a skuteczność ochrony jest zapewniona przez obniżenie napięcia dotykowego do wartości nie większej od napięcia U_L.

Przykład 2

Silnik elektryczny o mocy 6kW i napięciu znamionowym U = 3x400V/3x230V zabezpieczony jest wkładką topikową zwłoczną WT-1/gG-32A i zainstalowany jest w hali produkcyjnej przy obrabiarce.

Ocenić skuteczność ochrony przeciwporażeniowej jeżeli zmierzona wartość rezystancji uziemienia ochronnego wynosi 1Ω. Uziom ochronny jest wykonany jako pojedynczy uziom poziomy. Grunt w czasie pomiaru był wilgotny.

Dane liczbowe:

K_R = 2,2 - współczynnik odczytany z tablicy wartości sezonowych zmian rezystywności gruntu dla gruntu wilgotnego,

U_L = 50V - warunki środowiskowe normalne, I_n = 32 A - dla wkładki WT-1/gG.

R_Apom = 1Ω R_E = K_R × R_Apom  = 2,2 × 1 = 2,2Ω (obliczona wartość rezystancji uziemienia ochronnego)

Z tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych, dla wkładki WT-1/gG I_n = 32A odczytujemy dla czasu t = 5 s wartość prądu I_a = 148,7A.

TT

[ 2.10 ]

Ochrona przeciwporażeniowa nie jest skuteczna ponieważ obliczona wartość wartość rezystancji uziomu R_E (uwzględniającej stan gruntu) jest większa od wartości rezystancji dopuszczalnej.

TT

RE  > RA   (2,2Ω > 0,34Ω)

[2.11]

Aby ochrona przed dotykiem pośrednim za pomocą samoczynnego wyłączenia była skuteczna należy zastosować urządzenie ochronne różnicowoprądowe.

Układ sieci zasilania typu IT

Przy pojedynczym zwarciu z ziemią w układzie IT nie wymaga się samoczynnego wyłączenia zasilania gdy sieć wyposażona jest w urządzenie do kontroli stanu izolacji (UKSI) oraz sygnalizację pojedynczego zwarcia i o ile spełniony jest warunek:

IT

[ 2.12 ]

gdzie: R_{A pom} - wartość zmierzonej rezystancji, I_d - wartość pojedyńczego prądu zwarcia z ziemią w [A], U_L - dopuszczalna wartość napięcia dotykowego w [V].

Prąd I_d pojedynczego zwarcia z ziemią można wyznaczyć metodą pomiarową przez celowe wykonanie zwarcia doziemnego jednej fazy.

Jeżeli urządzenie UKSI nie działa na wyłączenie, to należy sprawdzić za pomocą pomiarów lub obliczeń czy są spełnione warunki zapewniające samoczynne wyłączenie zasilania przy zwarciach podwójnych. Zależnie czy sieć jest z przewodem neutralnym N, czy też jest bez tego przewodu impedancja pętli zwarcia powinna odpowiednio spełniać nierówności 2.11 i 2.12.

Opracowanie nie obejmuje omówienia przeciwporażeniowej ochrony uzupełniającej realizowanej obecnie głównie przez stosowanie wyłączników różnicowo prądowych. Stosowanie tych urządzeń ochronnych ma ograniczone zastosowanie przy zabezpieczeniach elektronicznych i energoelektronicznych odbiorników energii. Stosowanie tych zabezpieczeń w układach z przekształtnikami półprzewodnikowymi prowadzi często do nieuzasadnionego zatrzymywania maszyn i znacznych strat gospodarczych, dlatego autor nie jest zwolennikiem powszechnego stosowania tych urządzeń uzupełniającej ochrony przeciwporażeniowej [8]. Stosowanie wyłączników różnicowo prądowych w instalacjach niskonapięciowych jest przedmiotem wielu opracowań [5].

1. Literatura Do Rozdziału

[ 1] Dr inż. Witold Jabłoński, Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej INiPE Ogólne kryteria ochrony przeciwporażeniowej przed dotykiem bezpośrednim i przy dotyku pośrednim, INPE SEP Nr 43/2002.

[ 2] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.

(Wyszukiwanie norm: http://www.pkn.com.pl )

[ 3] A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne, opublikowane w miesięczniku „Elektrosystemy”, 2002.

[ 4] W. Orlik, J. Przybyłowicz, Badania i pomiary eksploatacyjne wurządzeń elektroenergetycznych dla praktyków. Wyd. KaBe Krosno 2000.

[ 5] W.Orlik, Egzamin kwalifikacyjny elektryka w pytaniach i odpowiedziach, Wyd. KaBe Krosno 2001.

[ 6] Poradnik Inżyniera Elektryka, tom 2, WNT, 1997

[ 7] Teoria katalogu ELFA - dział Bezpieczniki, 2003

[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne 1/2002.




3. EMC I Harmoniczne prądu W Instalacjach
   z Napędowymi przemiennikami częstotliwości

1. Ogólne zasady budowy układu napędowego zgodnego z wymogami EMC

W celu uniknięcia pomyłek i niedorzeczności, musimy na samym początku zdefiniować pojęcia jakimi będziemy się posługiwali:

Zaburzenie  - dowolne zjawisko elektromagnetyczne, mogące obniżyć jakość działania urządzenia lub systemu, albo niekorzystnie wpływać na materię ożywioną i nieożywioną.

Zakłócenia  - obniżenie jakości działania urządzenia lub systemu, spowodowane zaburzeniem elektromagnetycznym.

Urządzenie  - produkt finalny przeznaczony do autonomicznego wykonywania określonej funkcji.

System  - kombinacja wielu urządzeń lub podzespołów elektrycznych lub elektronicznych, wykonujących wspólnie określone funkcje.

Instalacja  - połączenie w miejscu przeznaczenia urządzeń, systemów lub podzespołów elektrycznych lub elektronicznych w sposób umożliwiający wykonywanie określonych funkcji.

Najczęściej spotykanym rodzajem napędu elektrycznego są silniki indukcyjne zasilane z przemienników częstotliwości. Częstotliwość napięcia wyjściowego przemiennika jest regulowana szerokością impulsu napięcia wyprostowanego. Postęp w technologii tranzystorów mocy pozwala na stosowanie coraz większej częstotliwości impulsowania i coraz krótszych czasów narastania impulsów. Powoduje to generację zakłóceń o coraz większych częstotliwościach.

Nieprzestrzeganie zaleceń zawartych w normach międzynarodowych IEC lub europejskich EN, dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej EMC przy montażu takich napędów, prowadzi nieuchronnie do emisji zakłóceń do otoczenia i w konsekwencji do zakłóceń pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Ponieważ polskie normy już tożsame z normami UE, dlatego znajomość tych zagadnień jest bardzo ważna.

Chęć ograniczenia kosztów instalacji, skłania inwestorów do nieprzestrzegania tych zasad. Praktyka jednak pokazuje, że są to tylko pozorne oszczędności. Najtańszym rozwiązaniem technicznym okazuje się wykorzystanie zaleceń dotyczących EMC podczas wykonywania nowej instalacji napędu. Najdroższe rozwiązanie to dokonywanie modyfikacji w istniejącej już instalacji elektrycznej, rys. 3.1.

różnych etapa




1. Koszty realizacji warunków kompatybilności elektromagnetycznej EMC
   w różnych etatach realizacji projektu.

W celu zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej podczas montażu urządzeń należy wprowadzić takie działania techniczne, jak uziemienie i ekwipotencjalizację, ekranowanie oraz stosowanie filtrów. Aby uzyskać żądany efekt należy podczas montażu zastosować wszystkie podane środki. Pominięcie jednego z nich często niweczy skuteczność pozostałych.

4. Uziemienie

W zakłóceniach generowanych przez przekształtniki częstotliwości można wyodrębnić składową symetryczną i asymetryczną. Bardzo ważne jest, aby składowa asymetryczna prądów zakłóceniowych, zamiast przedostawać się przewodami zasilającymi do sieci, była zamknięta ze swym źródłem możliwie blisko przemiennika. Dlatego:

• przemiennik i filtr należy montować blisko siebie na możliwie dużej powierzchni metalowej, stanowiącej miejscowe uziemienie dla sygnałów zakłócających np. na tylnej ścianie szafy montażowej,

• stykające się z uziemieniem powierzchnie przemiennika i filtru, a także sama szyna uziemiająca muszą być przewodzące elektrycznie, nie mogą być pokryte farbą, lakierem, folią lub tlenkami,

• przewody uziemiające układu należy montować zgodnie z zasadami ochrony przeciwporażeniowej pamiętając, że w zakresie częstotliwości sygnałów występują spadki napięcia większe niż w przypadku uziemionych powierzchni metalowych,

• przewody uziemiające rozprowadzić z jednego punktu do wszystkich miejsc wymagających uziemienia; pętle przewodów uziemiających mogą powodować indukowanie i sprzęganie się zakłóceń z otoczeniem.

5. Ekranowanie

Przyjmujemy, że układ urządzeń składających się z kilku części składowych połączonych przewodami jest ekranowany, jeśli każda z jego części jest ekranowana, przewody między częściami systemu są ekranowane, a ponadto ekran przewodów jest przyłączony na obu końcach do ekranów części składowych systemu. Takie rozwiązanie uniemożliwia przenikanie pola elektromagnetycznego z zewnątrz do systemu i wydostanie się go do środowiska. W układzie napędowym z przemiennikiem częstotliwości system składa się z dwóch elementów: przemiennika i silnika, połączonych kablem. Do przemiennika są również doprowadzone przewody zasilające. Zasady ekranowania w odniesieniu do napędów elektrycznych można przedstawić następująco:

• kabel między silnikiem a przemiennikiem powinien być ekranowany,

• przewody sterujące między przemiennikiem a silnikiem powinny być ekranowane,

• ekrany kabli na całym obwodzie powinny być połączone z korpusem silnika z jednej strony i metalową obudową przemiennika z drugiej, rys. 3.2,

• ekran powinien być przymocowany obejmą metalową do części metalowej silnika lub przemiennika, a nie opleciony wokół tych części, co mogłoby osłabić skuteczność ekranowania,

• jeśli przemiennik nie ma całkowicie ekranowanej obudowy, np. część jego obudowy jest wykonana z tworzywa sztucznego, to należy przymocować ekran kabla do wspólnej szyny uziemiającej przemiennika i filtru,

• wykorzystanie splotu, skrętki z ekranu do przyłączenia ekranu przewodów (sterujących, kontrolnych, pomiarowych itp.) jest niedopuszczalne.




2. Schemat podłączenia ekranu kabla zasilającego silnik.

Może się okazać, że przyłączenie ekranu przewodów sterujących na obu końcach spowoduje, że przewody będą mniej odporne na zakłócenia pola magnetycznego małej częstotliwości. W takiej sytuacji kompromisowym rozwiązaniem jest połączenie ekranu z jednej strony poprzez kondensatory, które dla sygnałów wielkiej częstotliwości stanowią zwarcie, a przy małych częstotliwościach zapobiegają zamknięciu się pętli.

6. Filtry

W układzie sieć zasilania - przemiennik - silnik jest jeszcze jedno miejsce, przez które zakłócenie może przedostać się na zewnątrz. Jest to doprowadzenie zasilania. Zasilający przewód ekranowy przewodziłby zakłócenia generowane przez przemiennik do sieci zasilającej, co pogorszyłoby kompatybilność. Jedynym sposobem ograniczenia tych zakłóceń jest stosowanie filtrów. Konstrukcja filtrów przeciwzakłóceniowych obejmuje zestaw odpowiedni elementów RLC umieszczonych w zwartej obudowie. Elementy pojemnościowe i indukcyjne są często zalewane w obudowie specjalną masą z tworzywa sztucznego w celu uniknięcia ich wpływu na charakterystykę filtru podczas montażu. Prawidłowo zaprojektowany i wykonany filtr powinien spełniać dwie podstawowe funkcje: chronić urządzenie przed zakłóceniami zewnętrznymi oraz tłumić zakłócenia wytworzone w urządzeniu przed wydostaniem się ich do sieci. W celu dobrania odpowiedniego filtru należy wziąć pod uwagę następujące parametry: prąd znamionowy, napięcie i częstotliwość pracy, dopuszczalny prąd upływności oraz charakterystykę. Dobór filtrów z odpowiednią charakterystyką polega na tym, aby impedancja wejściowa filtru była niedopasowana do impedancji obwodów stanowiących źródła zakłóceń w celu odbicia sygnałów zakłócających [1,2].

W zależności od producenta lub wyrobu stosuje się bardzo różne rozwiązania konstrukcyjne i instalacyjne filtrów przeciwzakłóceniowych. Generalnie jednak można powiedzieć, że w roli filtrów zakłóceń radiowych (filtr RFI) używa się pojemności, zaś zakłóceń przewodzonych - indukcyjności. Filtry RFI mogą być elementem opcjonalnym montowanym na wejściu lub integralną częścią przemienników układów napędowych, np. w niektórych przemiennikach układy filtrujące RC są standardowo montowane, zarówno na wejściu, jak i na szynie pośredniczącego napięcia DC.

Filtry RFI są stosowane do tłumienia zakłóceń emitowanych przewodami w punkcie podłączenia linii tam, gdzie filtr sprowadza zakłócenia do ziemi. Filtr RFI jest dobierany dla tłumienia zakłóceń przewodowych. Niezawodne połączenia o niskiej impedancji są istotne dla zagwarantowania właściwego funkcjonowania filtru, stąd należy postępować zgodnie z następującymi instrukcjami:

• filtr powinien być montowany na płycie o niepowlekanych punktach połączeń i w zgodności z instrukcjami producenta filtra;

• rama szafy filtra i szafa napędu powinny być ze sobą skręcone w kilku punktach, ze wszystkich punktów należy usunąć farbę;

• kable wejściowe i wyjściowe filtra nie mogą biec równolegle do siebie i muszą być względem siebie separowane ekranem;

• maksymalna długość kabla pomiędzy przemiennikiem i jego filtrem wyjściowym to 2 metry, większe odległości wymagają kabla z ekranem, a silnik nie może być uziemiony inaczej niż poprzez ekran jego kabla zasilania;

• filtr wyjściowy przemiennika musi być uziemiony zgodnie z instrukcjami producenta, należy zwrócić uwagę na to, że krytyczne są typ kabla silnikowego i jego długość.

Podobnie indukcyjności redukujące poziom zakłóceń przewodzonych na zasilaniu przemiennika, są w zależności od producenta i wyrobu, montowane standardowo lub opcjonalnie w różnych punktach układu. Typowym rozwiązaniem, jest stosowanie jednego dławika zamontowanego w układzie pośredniczącym prądu stałego. W przemiennikach stosuje się także inne rozwiązanie: standardowo montowane są trzy dławiki na fazach wejściowych urządzenia. Okazało się bowiem, że dzięki takiemu rozwiązaniu udaje się uzyskać znacznie niższy poziom emisji zakłóceń przewodzonych przy podobnych gabarytach filtra indukcyjnego typu AC i DC .

Niezależnie od zastosowanej metody w standardowych przemiennikach oferowanych na rynku, używane są filtry dobrane do danego urządzenia. Wartości elementów filtrów są różne w zależności od wartości parametrów (mocy, prądów, napięcia zasilania) przemiennika. Odpowiedni dobór elementów zastosowanych w filtrze danego urządzenia jest wynikiem obliczeń, doboru i testów wykonywanych przez danego producenta i najczęściej informacje te nie są powszechnie dostępne.

Mechanizm generacji zakłóceń można zilustrować za pomocą przykładu, z układem napędowym w którym silnik jest przyłączony do przemiennika częstotliwości stosunkowo długim kablem. Napięcia wyjściowe przemiennika generują drgania w obwodzie: przemiennik - kabel silnikowy - silnik, poprzez pojemności pasożytnicze.

Podwyższenie stopnia kompatybilności elektromagnetycznej można uzyskać za pomocą: dławika wejściowego sieciowego, filtru wejściowego RFI oraz filtru wyjściowego. Dławik wejściowy spełnia dwie funkcje: poprawia kształt prądu pobieranego przez obwód wejściowy przemiennika (prostownik diodowy - kondensator filtrujący) oraz ogranicza wpływ przełączeń zachodzących w przemienniku na sieć zasilającą. Filtr wejściowy RFI służy do ograniczenia zakłóceń radioelektrycznych promieniowanych przez sieć zasilającą oraz zakłóceń przewodzonych wysokiej częstotliwości, dla których rzeczywisty dławik wejściowy nie stanowi dostatecznie dużej impedancji. Filtr wyjściowy pełni podobne funkcje co filtr wejściowy, przy czym najczęściej jest to dławik (współpracujący z pojemnością kabla i silnika) obniżający stromość napięcia wyjściowego przy przełączeniach (około 10 do 20 razy). W zakresie względnie niskich mocy (do 16 A) mogą być stosowane filtry dające sinusoidalne napięcie wyjściowe. Jednak obecnie mają one zbyt wysoką cenę oraz dużą objętość i masę, co ogranicza zakres ich stosowania. Innym rozwiązaniem redukującym znacznie generację zakłóceń opisywanego rodzaju jest ograniczenie długości kabla łączącego silnik z przemiennikiem częstotliwości.

W skrajnym przypadku w konstrukcji kompaktowej napędu, silnik jest przyłączony do falownika bezpośrednio (bardzo krótkim przyłączem). Moce napędów kompaktowych ograniczone są, jak dotychczas, do kilkunastu kW.

Jedną ze skuteczniejszych metod filtracji zakłóceń przewodzonych powodowanych w sieci przez napęd (odkształcenie sinusoidy zasilającej), jest także stosowanie dedykowanego transformatora zasilającego oraz zwiększanie liczby pulsów mostka wejściowego przemiennika.

Z przyczyn ekonomicznych stosowanie transformatora przeznaczonego wyłącznie do zasilania napędu ma sens dopiero od pewnego poziomu mocy. Niekiedy jednak, gdy przewidziane jest stosowanie dużej ilości układów przemiennikowych małej mocy, należy rozważyć zasilanie ich z jednego transformatora. Rzadko się zdarza, aby przemienniki małej mocy były wyposażone w więcej niż sześciopulsowe mostki zasilające. Jeżeli jednak stosowanych jest równocześnie wiele przemienników sześciopulsowych, przy projektowaniu ich zasilania z jednego transformatora warto rozważyć możliwość, aby transformator ten został wykonany jako trójuzwojeniowy, a jego uzwojenia wtórne były połączone w odmienny sposób (tzn. jedno w gwiazdę a drugie w trójkąt). Przy zachowaniu pewnej równomierności obciążenia obu uzwojeń, efekt może być bardzo zbliżony do uzyskanego przy stosowaniu zasilania dwunastopulsowego przemiennika o mocy sumarycznej. W efekcie uzyskuje się bardzo niski poziom wartości harmonicznych w napięciu sieci. Zastosowanie transformatora dwunastopulsowego redukuje bardzo silnie harmoniczne rzędu 5, 7, 17 i 19 i zmniejsza wartość harmonicznych rzędu 11 i 13.

7. Dobór filtrów sieciowych

Aby odpowiednio dobrać filtr, należy znać impedancje dla sygnałów asymetrycznych (wspólnych) i różnicowych (symetrycznych) z jednej strony sieci zasilającej, a z drugiej - obciążenia.

Częstotliwości, które należy odfiltrować są większe niż 150 kHz w przypadku urządzeń cywilnych. W zakresie częstotliwości mniejszych nie należy się obawiać zakłóceń asymetrycznych, jeśli oczywiście zastosuje się separację galwaniczną. Zakłóceniami różnicowymi mogą być składowe harmoniczne napięcia, ale ogranicza się je przez zastosowanie specjalnie dobranych filtrów pasmowo zaporowych, a nie klasycznych filtrów EMC (dolnoprzepustowych).

Przy częstotliwościach większych niż 50kHz impedancje sieci dla sygnałów asymetrycznych i różnicowych są porównywalne. Ich wartości w nieokreślony sposób zmieniają się w czasie, a także zależą od miejsca, w którym filtr ma zostać zainstalowany. Nie da się bez przeprowadzenia pomiarów dokładnie określić impedancji sieci. Można jedynie stwierdzić, że w 90% przypadków mieści się ona w przedziale od 10 Ω do 1 kΩ, przy czym w 50% sytuacji impedancja różnicowa wynosi ok. 100 Ω, zaś impedancja dla sygnałów asymetrycznych prawdziwych wynosi mniej niż 200 Ω.

Natomiast impedancja obciążenia jest dość dobrze znana. Dla sygnałów różnicowych jest ona zawsze mała, powiedzmy mniejsza niż 10 Ω w przypadku zasilaczy impulsowych w warunkach przewodzenia przez diody. Filtrację zakłóceń różnicowych osiąga się przez rozdzielenie dużą impedancją (indukcyjnością) sieci od obciążenia w celu jak największego ich niedopasowania i przyłączenie kondensatorów od strony sieci.

Impedancja obwodów zasilania dla sygnałów asymetrycznych jest duża. Separacja galwaniczna zasilania (C < 1nF) sprawia, że impedancja obciążeń dla zakłóceń asymetrycznych jest większa niż 100 Ω w zakresie częstotliwości sięgających wielu megaherców. Aby odfiltrować sygnały asymetryczne od strony obciążenia (duża impedancja chronionego obwodu), należy zapewnić dużą pojemność (między przewody robocze i masę przyłączyć kondensatory), a od strony sieci zasilającej - bardzo dużą impedancję szeregową, tj. dławiki prądu asymetrycznego.

Niektórzy wytwórcy łączą w jednym układzie obydwa rodzaje filtrów (dla zakłóceń asymetrycznych i zakłóceń różnicowych). Rozwiązanie to ma tę zaletę, że indukcyjność rozproszenia dławika prądów asymetrycznych jest wykorzystywana także do filtrowania zakłóceń różnicowych.

W filtrach tych wykorzystywane są dwa typy kondensatorów:

• kondensatory X, tzw. międzyfazowe lub trybu różnicowego,

• kondensatory Y, zwany również kondensatorami typu asymetrycznego.

Kondensator X powinien być jak największy, Największą wartość jego pojemności wyznacza jedynie dopuszczalna wartość prądu występującego przy załączaniu urządzenia, ograniczonego jedynie impedancją sieci. Kondensatory Y przyłączane do obudowy nie powinny wprowadzać zbyt dużego prądu do przewodu ochronnego. Przepisy bezpieczeństwa ograniczają prąd upływu w przewodzie ochronnym PE, w połączeniach zasilających urządzeń ruchomych, do 0,25mA lub 3,5mA przy częstotliwości sieciowej, zależnie od rodzaju urządzenia [3].

1. wpływ parametrów sieci zasilania na układ napędowy

1. Definicje i miary jakości energii.

Jakość energii elektrycznej jest pojęciem z kategorii rynku i nie poddaje się w pełni sformalizowanym miarom. Obiektywnie jakość energii może być opisana zbiorem możliwie ściśle zdefiniowanych parametrów, jak np. liczba i czas trwania przerw w zasilaniu, odchylenia wartości skutecznej, częstotliwości oraz stopnia deformacji fali napięcia na przyłączu u odbiorcy. Jak widać nie chodzi tu o parametry dotyczące bezpośrednio energii, ale o parametry charakteryzujące warunki przekazywania energii. Subiektywnie jakość energii elektrycznej zależy od czułości stosowanych odbiorników na zakłócenia i odchylenia od nominalnych warunków zasilania. Problem niekompatybilności w nowoczesnych urządzeniach sprowadza się najczęściej do zniekształcania informacji zawartych w sygnałach obwodów sterowania, pomiarów i nadzoru.

Obiektywnie parametry określające jakość energii, to:

• Parametry znamionowe: napięcie, tolerancja zmian napięcia, częstotliwość, tolerancja zmian częstotliwości.

• Parametry w stanie zaburzenia: przepięcia, wahania napięcia (migotanie), załamania napięcia, asymetria napięć.

Jednym z istotnych czynników charakteryzujących jakość energii elektrycznej jest odkształcenie przebiegów napięć i prądów od przebiegu sinusoidalnego. Odkształcenie to jest charakteryzowane występowaniem wyższych harmonicznych w przebiegu czasowym o częstotliwości podstawowej, np. 50 Hz. Definiowane jest ono najczęściej procentową zawartością wyższych harmonicznych w stosunku do wartości skutecznej harmonicznej podstawowej [THD_u, THD_i] lub do wartości skutecznej przebiegu odkształconego [TDF_u, TDF_i].

8. Główne przyczyny powstawania zniekształceń w liniach zasilających.

Największy wpływ na powstawanie zniekształceń harmonicznych podczas działania przemiennika częstotliwości mają mostki prostownicze przekształcające napięcie AC na napięcie DC, rys. 3.1. Falownik zamienia natomiast napięcie DC na napięcie AC o dowolnej częstotliwości i wartości skutecznej napięcia dla sterowania prędkością i momentem silnika. Nie oddziaływuje on bezpośrednio na siec zasilania, .wpływ falownika ma tu charakter drugorzędny.




3. Ogólny schemat blokowy przemiennika napięciowego do napędu zmienno częstotliwościowego.

W większości dziś używanych przemiennikach częstotliwości stosowanych w układach napędowych, do przekształcania napięcia zasilania stosowane są diodowe mostki prostownicze, rys. 3.3. Do „wygładzenia” napięcia DC (zmniejszenia tętnień pozostałych po napięciu AC) stosuje się kondensatory.




4. Diodowy mostek prostowniczy w układzie przemiennika PWM.

Podczas gdy rezultatem filtru kondensatorowego jest bardzo sprawny napęd, układ może powodować problemy w linii elektroenergetycznej AC, z powodu sposobu w jaki przepływa (jest pobierany) prąd zasilania. Prąd ten będzie płynąć z prostownika do kondensatora C tylko do chwili gdy napięcie wejściowe będzie większe niż napięcie na zaciskach kondensatora. Dokładnie obrazuje to rys. 3.5. Jak widać czas przepływu tego prądu jest bardzo mały dla każdej z faz. Ażeby przenieść wymaganą przez silnik energię w takim krótkim okresie czasu, amplituda prądu musi być bardzo wysoka.




5. Prąd wejściowy dopływa tylko wtedy gdy napięcie wejściowe jest większe niż napięcie na zaciskach kondensatora C.

Prąd wejściowy nie jest sinusoidalny, co można łatwo zaobserwować przy pomocy np. oscyloskopu. Składa się on natomiast z dwu odrębnych pulsów w każdej połówce okresu napięcia. Taki przebieg prądu ma dużą zawartość wyższych harmonicznych. Impulsy prądowe układają się symetrycznie wokół amplitud napięcia w jego półokresach i w miarę wzrostu poboru energii obciążenia falownika, tj. którą pobiera silnik, zamiast dwu impulsów prądu obserwujemy niemal jeden. Wzrost obciążenia prostownika powoduje zmniejszenie współczynnika zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania.

Większość urządzeń elektronicznych zasilania używa tego typu mostków prostowniczych w układach zasilania. Są to np. komputery, faksy, kserokopiarki, drukarki i elektronicznie żarówki energooszczędne jak również przemienniki częstotliwości w układach napędowych AC. W przypadku odbiornika pobierającego prąd o przebiegu nie będącym sinusoidą, gdy jednocześnie napięcie zasilania jest sinusoidą, odbiornik taki jest nazywany obciążeniem nieliniowym.

9. Wskaźniki charakteryzujące odkształcenia napięcia i prądu.

Przekształtniki energoelektroniczne są obecnie ważnym źródłem zaburzeń przewodowych ponieważ pobierany przez nie z sieci zasilania prąd nie jest sinusoidalny i jego wyższe harmoniczne przenoszą dużą część mocy pobieranej z sieci zasilania. Wyższe harmoniczne niskich rzędów są przyczyną dużych strat i zaburzeń w poprawnej pracy sieci. Wiele prac technicznych ma na celu jedynie minimalizowanie tych negatywnych skutków. Dalsza część opracowania dotyczyć będzie emisji przewodowej zaburzeń. Emisja zaburzeń przenoszonych poprzez promieniowanie elektromagnetyczne charakteryzuje się dużą tłumiennością i jej organicznie jest technicznie łatwiejsze do realizacji w układach przemysłowych.

Podstawowe własności zaburzeń, harmonicznych prądu niskiej częstotliwości w sieci zasilania:

• zakres częstotliwości: 0 < f < 1do 10 MHz

• występowanie - głównie w formie przewodzonej

• czas trwania - najczęściej zakłócenia długie (np.100ms). Przy generowaniu harmonicznych zakłócenie występuje bez przerwy

• energia - przewodzona energia może być bardzo duża prowadząca do nieprawidłowego działania urządzenia, a nawet do jego zniszczenia




6. Wpływ nieliniowego odbiornika energii na występowanie zaburzeń napięcia w sieci zasilania.

Odbiornik nieliniowy jako źródło zniekształceń harmonicznych prądu powoduje zniekształcenia napięcia w sieci zasilania.

Zniekształcenia prądowe związane są z urządzeniami, natomiast zniekształcenia napięciowe związane są z układem pracy (środowiskiem) danego urządzenia, rys. 3.6.

Dla określenia poziomu zniekształceń napięciowych konieczna jest wiedza o poziomie zniekształceń prądowych i zwarciowej impedancji układu. Nie jest możliwe określenie zniekształceń napięciowych jedynie na podstawie znajomości parametrów napędu. Zniekształcenia napięciowe charakteryzują parametry układu zasilania. Zniekształcenia prądowe charakteryzują indywidualne cechy urządzenia.

Dla przedstawienia dopuszczalnych poziomów zawartości harmonicznych w przebiegach napięć lub prądów wprowadzono pojęcie współczynnika THD (Total Harmonic Distortion). tj. całkowitej zawartości harmonicznych. Jest on odpowiednio definiowany dla zawartości harmonicznych napięcia i prądu:

[ 3.1 ]

gdzie: [U_k (lub I_k) jest kolejną harmoniczną przebiegu podstawowego U₁ (lub I₁), a N - liczbą uwzględnianych harmonicznych.

Współczynnik TDD wyraża procentowy udział zniekształceń w maksymalnym prądzie obciążenia - zwykle odnoszony do 15 lub 30 min. zapotrzebowania mocy. TDD jest wielkością wiążącą własności układu zasilania z wartością prądu obciążenia I_L. Wartość prądu obciążenia I_L ma decydujący wpływ na wartość współczynnika TDD,

współczynnik TDD (ang. Total Demand Distortion) wiąże wartości zawartość harmonicznych prądu z wartością .

W standardzie wg American Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE- 519-1992, na którym będą opierać się przyszłe normy

[ 3.2 ]

techniczne do budowy urządzeń energoelektronicznych, przedstawiono dopuszczalne pozio­my odkształceń prądu pobieranego przez odbiorniki. Wymaga­nia te dotyczą wartości kolejnych harmonicznych do rzędu 11. Ponadto dopuszczalna wartość współczynnika harmonicznych prądu THDi jest uzależniona od wielkości mocy zwarciowej układu zasilania.

1. Dopuszczalne poziomy zawartości harmonicznych nieparzystych prądu dla nieliniowych obciążeń w sieciach TN współpracujących z innymi obciążeniami i napięciach 120V-69.000V wg standardu IEEE-519

Izw/Iobc	<20	20...50	50...100	100...1000	>1000
THDi dla n<11	4%	7%	10%	12%	15%
TDDi	5%	8%	12%	15%	20%

Standard ten określa też wrażliwość urządzeń elektrycznych stosowanych publicznie na zakłócenia harmoniczne oraz dopuszczalny poziom zniekształceń harmonicznych napięcia w sieci. IEEE 519 zawiera różne limity dla różnych typów budynków. Problem ten wizualizuje nam poniższa tabela. Jak widzimy sieci przemysłowe mają dużo mniej surowe przepisy niż np. budynki mieszkalne. Dlatego napędy z przemiennikiem częstotliwości nie zawsze muszą posiadać filtry harmonicznych prądu.

2. IEEE 519 ogólne standardy dla zakłóceń harmonicznych napięcia.

Klasa zastosowania	THDu (%)
Zastosowanie wrażliwe: Lotniska, Szpitale,Telekomunikacja	3%
Zastosowanie ogólne: Biura, Szkoły	5%
Zastosowanie lokalne: Fabryki	10%

W rzeczywistych układach odbiorników nieliniowych stawiane wymagania na THDi nie da się spełnić bez stosowania filtrów aktywnych lub innych kosztownych układów kompensacji mocy odkształconej, co powoduje znaczne koszty budowy instalacji zasilania stają się bardzo duże.

Proste układy przekształtników znacznie przekraczają przedstawione zalecenia co ilustruje podany niżej przykład współpracy prostownika trójfazowego 3f6d - rys. 3.4, i 3.5 czy jednofazowego 1f4d - rys. 3.7. Z analizy zawartości harmonicznych dla różnych konfiguracji prostowników wynika, że współczynnik THDi może w korzystnych warunkach współpracy z obciążeniem pojemnościowym może wynosić odpowiednio:

- 41% dla pełno mostkowego prostownika 1-fazowego,

- 31% dla 6 diodowego prostownika mostkowego 3-fazowego,

W układach z 3-fazowym 6-pulsowym prostownikiem sterowanym jest jeszcze trudniej zapewnić małą zawartość harmonicznych prądu, w zależności od kąta opóźnienia włączania zaworów, THDi może wynosić nawet 60%.




7. Odbiornik - układ prostownika z obciążeniem rezystancyjnym - A i dominującym pojemnościowym - B: A - odbiornik liniowy - prąd sieci zasilania jest sinusoidą, B - odbiornik nieliniowy - prąd sieci zasilania nie jest sinusoidą.

Przy braku kondensatora napięcie na odbiorniku ma przebieg dwu połówkowo wyprostowanego napięcia sieciowego, a prąd pobierany z sieci ma przebieg sinusoidalny.

Po dołączeniu kondensatora, znakomicie zmniejszającego tętnienia napięcia na odbiorniku rezystancyjnym, układ staje się odbiornikiem nieliniowym, gdyż prąd pobierany jest impulsowo, w chwili doładowywania kondensatora.

Ogólnie można stwierdzić, że obecność wyższych harmonicznych prądu zasilania odbiorników nieliniowych jest przyczyną niekorzystnych zjawisk, między innymi: zakłóceń w pracy innych odbiorników, przegrzewania się transformatorów i silników, przegrzewania się przewodu neutralnego (głównie w obwodach jednofazowych), zwiększonych strat w przesyłaniu energii, zniekształceń napięcia sieci zasilającej [4,5].

Z powodu odkształceń prądu wprowadzanych przez odbiorniki nieliniowe odkształceniom ulega napięcie sieci, która zasila dołączone do mej odbiorniki liniowe. Odkształcenia napięcia można przedstawić w formie widma wyższych harmonicznych napięcia oraz współczynnika THDu.

Podane wymagania, dotyczące jakości energii elektrycznej są pierwszymi próbami regulacji prawnych. Należy przypuszczać, że konieczne będą międzynarodowe ustalenia i ujednolicenia wymagań, gdyż odbiorniki nieliniowe stają się coraz bardziej znaczącą częścią obciążeń, a generowane przez nie zakłócenia są postrzegane jako istotny czynnik wpływający na zawodność urządzeń.

3. Dopuszczalna wartości współczynnika THDu

Dokument	THDu	Zawartość pojedynczej harmonicznej - (Un/U1)x100%
EN50160	8%	1,5...6%
IEEE st.519	5%	3%
Rozp. Min. Gosp. Z 25.09.00(Dz.U.85.p.957)	8%	5%

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3F6D można prześledzić na podstawie rys. 3.8.




8. Współczynnik zawartości harmonicznych THDi prądu wejściowego prostownika trójfazowego 3F6D w zależności od wartości indukcyjności dławika AC i DC.

Z rys. 3.8 wynika, że nie ma możliwości obniżenia zawartości THDi w sieci zasilania poniżej ok. 38% przy powszechnie stosowanych dzisiaj prostownikach 3f6d jako stopniach wejściowych napięciowych przemienników częstotliwości. Obecnie przemienniki napięciowe z prostownikiem 3F6D przekraczają moce 500kW przy zasilaniu z sieci o napięciu 3x400-690V. Uwzględniając THDi przemienników napięciowych na poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani producenci poprzez dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności, należy dążyć do zapewnienia obciążenia transformatora zasilającego mocą odkształconą nie powodującą zniekształcenia napięcia powyżej wartości określonej normami, zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) w miejscu dołączenia innych wrażliwych odbiorników do sieci [5,12].

Spadek napięcia w miejscu włączenia do sieci zasilania wrażliwych odbiorów powodowany harmonicznymi prądu zależy od impedancji zwarciowej sieci Zsc w tym miejscu i wartości harmonicznych prądu obciążenia przekształtnika energoelektronicznego. Współczynnik mocy zwarciowej określa wyrażenie (SCR - ang. short circuit ratio), wg wzoru: e_x = I_SC/I_L.

Dla uzależnienia poziomu zniekształceń prądowych w sieci zasilania od zastosowanego rozwiązania technicznego odbiornika określa się stałą harmonicznych - H_c wg wzoru:

[ 3.3 ]

Dla wybranych rozwiązań technicznych przekształtników energoelektronicznych

wyznaczono wartość współczynnika H_C, co przedstawiono w tabeli poniżej.

Typ obciążenia	Wartość HC
Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D	> 300
Trójfazowy prostownik diodowy 3F6D z dławikiem AC/DC	150-350
Prostownik 12 plusowy 3F2x6D	100-150

ponieważ:

[ 3.4 ]

wtedy po przekształceniu uzyskujemy:

[ 3.5 ]

Powyższe wyrażenie umożliwia łatwe określenie współczynnika zawartości harmonicznych napięcia zależnie od prądu maksymalnego obciążenia odbiornika przekształtnika I_FL i prądu zwarciowego linii zasilającej I_SC.



Przykład obliczeniowy wyznaczania współczynnika THDu w sieci zasilania:

Podano przykład wyznaczenia zniekształceń napięciowych w obwodzie wtórnym transformatora SN o mocy pozornej 1MVA, przekładni 10/0.48kV, i współczynniku mocy zwarciowej ex=5%, z którego zasilany jest 200kW przemiennik częstotliwości z 6pulsowymdiodowymprostownikiem wejściowym, wyposażonym w dławik DC [13].




9. Schemat układu zasilania przemiennika częstotliwości.

Bez przeprowadzania dokładnych obliczeń można przyjąć, że dla przemienników napięciowych o wartości THDi bliskiej 40%, uzyskujemy THDu w pobliżu transformatora bliskie 5%, jeśli maksymalna moc czynna przemiennika do mocy pozornej transformatora wynosi mniej niż 40%. Można dla potrzeb inżynierskich w typowych warunkach zasilania (e_x=5%) ekstrapolować liniowo moc pozorną transformatora dla wyznaczenia iwartości THDu równej 2.5% i 10%. Badania wartości THDi i THDu warunkach laboratoryjnych można wyznaczyć na stanowisku przedstawionym na rys. 3.10.




10. Laboratoryjne stanowisko do badań współczynnika THDi przemienników częstotliwości.

Maksymalna moc czynna przemiennika o THDi=40%, wynosi 100kW, wtedy:

THDu = 5% - dla mocy pozornej transformatora: 100:0,4 = 250kVA,

THDu = 10% - dla 125kVA, oraz THDu = 2,5% dla 500kVA.

4. Obliczenia współczynnika THDu w sieci zasilania

Znamionowy prąd transformatora
Prąd zwarciowy transformatora
Znamionowy prąd przemiennika częstotliwości
Stała harmonicznych przemiennika częstotliwości (HC)		250% (wartość szacowana)
Współczynnik zniekształceń napięciowych, THDu

10. Trójfazowy prostownik diodowy jako generator harmonicznych prądu

Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d można prześledzić na podstawie badań zilustrowanych na rys. 3.11.





11. Badanie prostownika 3F6D jako generatora harmonicznych prądu: a - napięciowe przemienniki częstotliwości na stanowisku badań, b - przebieg prądu przewodowego na tle przebiegu napięcia fazowego.

Analizę widma prądu wejściowego przemiennika napięciowego przeprowadzono przy jego nominalnym obciążeniu. Przy niedociążeniu przemiennika całkowita zawartość harmonicznych w prądzie zasilania wzrasta. Wyniki analizy przedstawiono na rys. 3.12b. Prostownik 3f6d obciążony napięciowo generuje harmoniczne nieparzyste niepodzielne przez 3 .

a


b


12. Analiza zawartości harmonicznych w prądzie zasilania przemiennika częstotliwości a - przebieg półokresu prądu zasilania, b - widmo harmonicznych prądu zasilania

Aby oszacować wpływ niedociążenia przemiennika częstotliwości lub jego przewymiarowania wyznaczono wartości współczynnika THDi, przy braku obciążenia i przy obciążeniu nominalnym. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono na rys. 3.11.

a)




b)




13. Zawartość harmonicznych w prądzie zasilania przemiennika częstotliwości w funkcji obciążenia: a - przemiennik nieobciążony, b - przemiennik obciążony nominalnie.




Zawartość harmonicznych prądu wprowadzanych do sieci zasilania przez powszechnie stosowane prostowniki trójfazowe 3f6d można ograniczać poprzez dodanie odpowiednich dławików wejściowych typu AC lub DC. Wpływ tych dławików na skuteczność ograniczania harmonicznych prądu jest zbliżony co przedstawia rys 3.8 [9,10,11].

Stosowanie dławików wejściowych ma decydujące znaczenie dla ograniczenia zawartości harmonicznych prądu w sieci zasilania. Z rys. 3.11 wynika, że w instalacjach z przemiennikami częstotliwości zawierającymi prostowniki wejściowe 3f6d nie ma możliwości obniżenia wartości THDi poniżej ok. 38%, jeśli ich tłumienie harmonicznych dokonywane jest dławikami. Obecnie przemienniki napięciowe z prostownikiem 3f6d zasilane z sieci niskonapięciowej osiągają moce rzędu 1MW. Trzeba uwzględniać generowaną przez nie moc bierną wyższych harmonicznych przy określaniu mocy transformatorów, przekrojów kabli i wartości zabezpieczeń nadprądowych i zwarciowych. Uwzględniając THDi przemienników napięciowych na poziomie 40%, co zapewniają praktycznie wszyscy renomowani producenci poprzez dołączanie dławików AC lub DC o właściwej indukcyjności, należy dążyć do zapewnienia obciążenia transformatora zasilającego mocą bierną wyższych harmonicznych, nie powodującą zniekształcenia napięcia powyżej wartości określonej normami. Zwykle THDu < 3-5% (biura, szkoły, itp.) lub THDu <10% (przemysł) jeśli w miejscu dołączenia przemiennika nie ma innych wrażliwych odbiorników.

11. Skutki oddziaływania odkształconych przebiegów napięć i prądów sieci zasilania na pracę układów napędowych

Odkształcenia prądu i napięcia w sieci elektroenergetycznej powodują występowanie zakłóceń w pracy i funkcjonowaniu wielu urządzeń oraz w ich otoczeniu:

• natychmiastowe, związane tylko z odkształceniem, a nie z czasem oddziaływania, np. błędne działanie zabezpieczeń, urządzeń sterujących, regulacyjnych i telekomunikacyjnych w obiekcie energetycznym,

• długotrwałe, związane z wielkością zakłócającą oraz czasem oddziaływania, np. przyśpieszone starzenie izolacji maszyn elektrycznych i kabli, dodatkowe straty mocy w torach prądowych i przeciążenia elementów sieci elektroenergetycznej.

Szczególnie niekorzystnym zjawiskiem jest występowanie odkształceń napięcia. Harmoniczne zawarte w odkształconych przebiegach czasowych napięć wpływają na inne elementy systemu elektroenergetycznego, przez co obserwuje się występowanie niekorzystnych efektów w wielu odbiornikach i urządzeniach podłączonych do wspólnej sieci, jak np. [6]:

• zwiększenie strat mocy czynnej w silnikach i transformatorach,

• przeciążenie prądowe kondensatorów w układach kompensacji,

• zakłócenie pracy zabezpieczeń i układów sterujących,

• błędne wskazania przyrządów pomiarowych (np. liczników energii),

• trudniejsze warunki gaszenia łuku (dla występujących zwarć doziemnych).

1. realizacja wymogów emc w Instalacjach napędowych z przemiennikami napięciowymi

Sposoby realizowania wymogów EMC w gotowych przemiennikach częstotliwości przeanalizowano na przykładzie zaleceń projektowych i dokumentacji technicznej przemienników częstotliwości firmy Danfoss serii VLT 5000.

W celu spełnienia wymogów i zaleceń określonych normami i aktami prawnymi opisanych w poprzednich rozdziałach pracy, dokumentacja techniczna producenta urządzenia podaje dokładne instrukcje dotyczące zasad wykonania instalacji, zapewniającej jej wykonanie zgodnie z wymogami EMC.

2. Zgodność z dyrektywą EMC 89/336/EWG

W ogromnej większości przypadków przemienniki częstotliwości są instalowane są przez przeszkolony personel techniczny jako złożony komponent będący częścią dużego urządzenia, systemu lub instalacji. Należy pamiętać, że odpowiedzialność za spełnianie wymogów EMC przez całe urządzenie, system lub instalację spada na instalatora. Jako pomoc dla instalatorów należy wykorzystywać dokumentację techniczną producenta zawierającą wytyczne instalacyjne dotycząc EMC. Normy i testy określone dla układu napędowego są spełnione przy założeniu, że zostały zastosowane instrukcje instalacyjne dotyczące EMC [8].

Ogólne aspekty emisji EMC

Zakłócenia elektryczne przy częstotliwościach w zakresie 150kHz do 30MHz są zwykle przenoszone przez kable. Zakłócenia indukowane w zakresie 30MHz do 1GHz generowane są przez falownik przemiennika, kabel zasilający silnika i silnik.

Jak pokazuje rys. 3.14, prądy pojemnościowe w kablu silnika razem z dużą wartością dU/dt napięcia silnika wytwarzają znaczny prąd upływu. Stosowa- nie kabla ekranowanego/zbrojonego zwiększa prąd upływu. Dzieje się tak ponieważ kable ekranowane/zbrojone mają większą pojemność do masy niż kable nieekranowane / niezbrojone. Jeśli prąd upływu nie jest filtrowany, powoduje duże zakłócenia na zasilaniu w zakresie częstotliwości radiowych poniżej około 5MHz. Ponieważ prąd upływu (I₁) jest przenoszony z powrotem do przemiennika poprzez ekran (I₃), powstaje w zasadzie tylko niewielkie pole magnetyczne (I₄) z ekranowanego kabla zasilającego silnik.

Ekran ogranicza emitowane zakłócenia, ale zwiększa niskoczęstotliwościowe zakłócenia przenoszone do sieci zasilającej. Ekran kabla silnika musi być połączony do obudowy przetwornicy, jak również do obudowy silnika. Najlepszym sposobem realizacji tego wymagania jest zastosowanie zintegrowanych zacisków kablowych, a tym samym unikanie skręcania końcówek ekranu, gdyż powoduje to zwiększenie impedancji ekranu dla większych częstotliwości, co zmniejsza skuteczność ekranowania i zwiększa prąd upływu (I₄).

Jeśli kabel ekranowany stosowany jest do podłączenia cyfrowej magistrali komunikacyjnej np. Profibus, przekaźników, we/wy sterowania, interfejsu sygnałowego i hamulca, ekran przewodu sygnałowego musi być montowany do obudowy na obu końcach. Niemniej, w niektórych sytuacjach, konieczne jest przerwanie ekranu w celu unikania powstawania pętli prądowych.




14. Prądy upływu do ziemi.

W przypadku gdy ekran ma być umieszczony na płycie montażowej przemiennika częstotliwości VLT, płyta montażowa musi być wykonana z metalu, ponieważ prądy ekranu muszą być przenoszone z powrotem do urządzenia. Bardzo ważne jest również zapewnienie dobrego styku elektrycznego pomiędzy płytą instalacyjną, poprzez wkręty aż po metalową szafę przemiennika częstotliwości VLT [3,7].

Jeśli chodzi o samą instalację, mniej skomplikowane jest stosowanie kabli nieekranowanych.

W celu możliwie maksymalnego zmniejszenia poziomu zakłóceń emitowanych przez cały system (przemiennik częstotliwości i instalacja elektryczna) ważne jest, aby kabel silnikowy był możliwie najkrótszy.

Kable z napięciowymi sygnałami, podatne na zakłócenia nie powinny być kładzione wzdłuż kabli silnika.

Zakłócania radiowe powyżej 50MHz - indukowane będą generowane szczególnie przez układy sterujące.

Wyniki testów EMC przemienników częstotliwości głównie w zakresie emisji zaburzeń do otoczenia wykonywane są przez producentów tych urządzeń w typowych warunkach budowy układu napędowego.

Przykładowe wyniki testów uzyskane podczas badania układu napędowego z przemiennikiem częstotliwości, z ekranowanym/zbrojonym kablem silnikowym przedstawiono w tab. 3.5.

5. Przykładowe wyniki testów na emisję zakłóceń przewodzonych dla VLT 5000

VLT 5001- 5011 380-500V VLT 5001- 5006 200 240V	emisja
		środowisko	środowisko przemysłowe		budynki mieszkalne, handlowe, przemysł lekki
		norma podst.	EN 55011 klasa A1		EN 55011 klasa B1		EN 55014
konfiguracja	Kabel silnika	Przewodzona 150kHz-30MHz	Indukowana 30MHz-1GHz	Przewodzona 150kHz-30MHz	Indukowana 30MHz-1GHz	Przewodzona 150kHz-230MHz
VLT 5000 z filtrem RFI opcjonalnym	300m nieekranowany	tak	nie	nie	nie	nie
		50m ekranowany	tak	tak	tak^2)	nie	nie
		150m ekranowany	tak^1)	tak^1)	nie	nie	nie
	VLT 5000 ze zintegrowanym filtrem RFI i modułem LC	150m ekranowany	tak	nie	nie	nie	nie
		50m ekranowany	tak	tak	nie	nie	nie
Uwagi: 1) dla VLT 5011/500V warunek może być spełniony tylko jeśli maksymalna długość kabla ekranowanego/zbrojonego wynosi 100m. 2) nie dotyczy 5011/500V i 5006/200V.

W celu minimalizacji zakłóceń przewodzonych przenoszonych do sieci zasilającej oraz indukowanych z systemu z przemiennikiem częstotliwości, kable silnika powinny być jak najkrótsze, a zakończenia ekranu powinny być wykonane zgodnie z instrukcjami DTR.

Definicja dopuszczalnych poziomów emisji zaburzeń elektromagnetycznych według normy PN-EN 55011.

Norma ta określa dopuszczalny poziom zaburzeń emitowanych przez elektryczne wysokoczęstotliwościowe urządzenia przemysłowe, naukowe i medyczne dla różnych środowisk pracy. Według normy PN-EN 55011 wartości emisji są dzielone na trzy grupy: A-1, A-2, oraz B-1. Granice tych grup zostały przedstawione w tab. 3.6.

Klasa A-1, A-2, - urządzenia używane w środowisku przemysłowym.

Klasa B-1: - urządzenia używane w miejscach zasilania z sieci
publicznej: mieszkania, sklepy, przemysł lekki.

6. Granice emisji zaburzeń wg PN-EN55011.

częstotliwość w MHZ	klasa A - grupa 2	klasa A - grupa 1	klasa B - grupa 1
	środowisko przemysłowe	środowisko przemysłowe	środowisko mieszkaniowe
	przeciętnie	przeciętnie	przeciętnie
0,15 - 0,50	90 dB (uV)	66 dB (uV)	56-46 dB (uV)
0,50 - 5	76 dB (uV)	60 dB (uV)	46 dB (uV)
5 - 30	80-60 dB (uV)	60 dB (uV)	50 dB (uV)

Na rys. 3.15 przedstawiono graficznie dopuszczalne granice poziomów emisji zaburzeń elektromagnetycznych wg PN-EN55011.




15. Dopuszczalne granice emisji zaburzeń według normy EN 55011.

7. Normy określające dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń dla określonych
   środowiskach stosowania przekształtników napędowych.

Środowisko/Norma	Budynki mieszkalne, handlowe i przemysł lekki		Środowisko przemysłowe
Rodzaj zaburzenia	Przewodzone	Indukowane	Przewodzone	Indukowane
PN-EN 50081-1	Klasa B	Klasa B
PN-EN 50081-2			Klasa A-1	Klasa A-1
PN-EN 61800-3	Klasa B	Klasa B	Wartości graniczne są rozważane
PN-EN 61800-3	Klasa A-1	Klasa A-1	Wartości graniczne są rozważane

Odporność przemysłowych przekształtników na zaburzenia elektromagnetyczne.

Dla potwierdzenia odporności na zaburzenia wytwarzane przez urządzenia elektryczne producent obowiązany jest przeprowadzić określone testy potwierdzające odporność przemiennika częstotliwości w różnych konfiguracjach pracy wraz silnikiem i różnymi rodzajami kabla silnikowego.

Testy przeprowadza się zgodnie z następującymi normami podstawowymi:

PN-EN61000-4-2 (IEC 1000-4-2): Wyładowania elektrostatyczne (ESD).

Symulacja wyładowań elektrostatycznych powodowanych przez istoty ludzkie.

PN-EN 61000-4-3 (IEC 1000-4-3): Odbierane promieniowanie pola elektromagnetycznego, modulowana amplituda.

Symulacja wpływu urządzeń radarowych i radiowych oraz systemów telefonii przenośnej.

PN-EN 61000-4-4 (IEC 1000-4-4): Impulsowe stany nieustalone. Symulacja zakłóceń powodowanych przez przełączanie styczników, przekaźników itp.

PN-EN 61000-4-5 (IEC 1000-4-5): Udary.

Symulacja zakłóceń powodowanych przez np. bliskie wyładowania atmosferyczne

ENV 50140: Odbierane pola elektromagnetyczne, modulacja i impulsowa.

Symulacja wpływy telefonii GSM.

ENV 50141: Wysokoczęstotliwościowe zakłócenia przewodzone.

Symulacja wpływu sprzętu radiowego podłączonego do kabli zasilających.

VDE 0160 klasa W2: Udary napięcia.

Symulacja stanów nieustalonych o dużej energii powodowanych przez np. przepalenie bezpiecznika, załączanie pojemności korygujących współczynnik mocy itp. [3].

1. Literatura do rozdziału

[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.

[2 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie - Elektroinstalacje Gdańsk 2000.

[3 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa.

[4 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP'99.

[5] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyższych harmonicznych prądów w układzie hybrydowym złożonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.

Warszawa.

[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej 1995.

[7 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.

[8 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 - Danfoss A/S.

[9 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.

[10] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives, Danfoss Drives A/S - 2002.

[11 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side harmonics. Danfoss Drives A/S - 2002.

[12 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.

[13 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 - PR.




4. PRZYKLADOWE ROZWIĄZANIA techniczne instalacji PREMYSŁOWYCH Z PRZEKSZTAŁTNIKAMI

1. Bezpieczna obsługa urządzeń
   z przekształtnikami energoelektronicznycmi

Urządzenia elektroniczne, podobnie jak wszystkie inne urządzenia elektryczne muszą spełniać wymagania ochrony od porażeń, gwarantujące bezpieczną prace obsłudze.

Zgodnie z obowiązującą normą PN - 93/E - 05009 każde urządzenie elektryczne musi być tak wykonane i zainstalowane, aby podczas eksploatacji zarówno w stanie normalnej pracy, jak i w stanach awaryjnych na dostępnych dla obsługi elementach i częściach tego urządzenia nie wystąpiło napięcie, które mogłoby stanowić jakiekolwiek zagrożenie porażeniowe.

W przypadku urządzeń energoelektronicznych dotyczy to obudowy przekształtnika (konstrukcji szafy), pulpitu sterującego, obudowy silnika elektrycznego zasilanego z tego urządzenia, jak i metalowej konstrukcji maszyny roboczej.

Za niebezpieczne są uznane napięcia przemienne o wartościach skutecznych wyższych niż 25 V i napięcia stałe przekraczające 60 V.

Zgodnie z ogólnymi zasadami ochrony od porażeń, w urządzeniach energoelektronicznych stosuje się równoczesną ochronę przed dotykiem bezpośrednim i pośrednim (tzw. Ochrona podstawowa i dodatkowa) , tab. 4.1.

Do szczególnych wymagań odnoszących się do urządzeń energoelektronicznych należy konieczność umieszczania części przewodzących prąd w obudowie o stopniu ochrony nie niższym niż IP2, tab. 4.2.

Drzwi obudowy powinny być zamknięte na klucz i wyposażone w wyłączniki, wyłączające przekształtnik z sieci po ich otwarciu. Przekształtniki średniej i dużej mocy zaleca się instalować w oddzielnym zamkniętym pomieszczeniu.

Środki ochrony pośredniej (dodatkowej) muszą spełniać swoje zadanie w razie uszkodzenia izolacji roboczej i w razie pojawienia się napięcia na osłonach urządzenia. Ich działanie polega albo na szybkim samoczynnym wyłączeniu urządzenia, albo na obniżeniu napięcia dodatkowego na dostępnych przewodzących częściach urządzenia do wartości nie stwarzającej zagrożenia porażeniowego.

Obowiązująca norma PN - 93/E - 05009 jako zasadniczy środek ochrony dodatkowej zaleca szybkie wyłączenie napięcia dotyku, zastępując dotychczas stoso­wane zerowanie i uziemianie. Spełnienie wymogu ochrony przed tzw. Dotykiem pośrednim, w odniesieniu do urządzeń energoelektronicznych, jest związane ze stosowaniem: szybkich wyłączników prądu doziemienia, wyłączników przeciwporażeniowych różnicowo prądowych, miejscowych połączeń wyrównawczych i dodatkowej izolacji uzupełniającej o izolację roboczą. obudowy, których elementy są odseparowane podwójną izolacją galwaniczną od części przekształtnika przewodzących prąd nie wymagają stosowania dodatkowych środków ochrony od porażeń.

Sposób wykonania obudów połączeń przeciwporażeniowych w urządzeniach energoelektronicznych zależy od typu linii zasilającej, do której jest przyłączone to urządzenie.

Najczęściej urządzenia energoelektroniczne są zasilane z sieci trójfazowych cztero i pięcioprzewodowych typu TT, TN - C, TN - S, TN - C -S.

Do ochrony od porażeń wykorzystuje się przewody PE lub PEN o przekrojach nie mniejszych niż 4mm² Cu. Łączy się je z szynami ochronnymi, znajdującymi się wewnątrz zamkniętych obudów urządzeń energoelektronicznych.

Szyny ochronne urządzeń energoelektronicznych pełnią funkcję zacisku ochronnego. Najczęściej są wykonane z płaskownika miedzianego (np. o przekroju 2 x 20 mm i długości 1000 mm) i oznaczone symbolem PE.

Do szyn tych przyłącza się oddzielnie obudowę urządzenia, metalowe obudowy wszystkich przyrządów i aparatów zainstalowanych w szafie przekształtnika, radiatory bloków elektroizolowanych, drzwi szafy, pulpit sterujący, obudowę maszyny roboczej lub innego odbiornika zasilanego z przekształtnika oraz metalowe elementy konstrukcji budynku, instalacji centralnego ogrzewania i instalacji wodnej, znajdujących się w pobliżu przekształtnika.

1. Ochrona podstawowa i dodatkowa.

Rodzaj obwodu elektrycznego	Ochrona podstawowa	Ochrona dodatkowa
Obwody ni­skiego napię­cia, U ≤ 24 V	nie wymaga się osłon jeżeli: obwody elektroniczne są izolowane galwanicznie od obwodów energetycznych podwójną izolacją (tzw. obwody SELV), obwody energetyczne są izolowane; stosowanie osłon (wspólnych dla części energetycznej i sterującej przekształtnika) jest wymagane, jeżeli obwody elektroniczne są separo­wane od obwodów energetycznych pojedynczą izolacją galwaniczną	przy uszkodzeniu izolacji w obwodach elektronicznych stosuje się: szybkie odłączenie całego urządzenia, sygnalizację uszkodzenia; obwody typu FELV zaleca się łączyć galwanicznie z przewodem ochronnym lub z uziemieniem
Obwody energetyczne o napięciu U ≤ 1000 V	izolowanie części czynnie przewodzących prąd, zastosowanie ogrodzeń i przegród oraz obudów i osłon, zastosowanie barier (przeszkód), umieszczenie urządzenia w miejscu niedostępnym (poza zasięgiem rąk)	należy zastosować jeden lub kilka środków ochrony z niżej wymienionych: szybkie wyłączenie urządzenia w razie wystąpienia na obudowie napięcia przekraczającego bezpieczną wartość napięcia dotykowego, wykonanie połączeń galwanicznych wyrównujących potencjały przedmiotów na stanowisku pracy, zastosowanie dodatkowej izolacji do izolacji podstawowej (tzw. II klasa ochronności), zwiększenie przekroju przewodu ochronno - neutralnego PEN, zastosowanie wyłącznika różnicowo - prądowego wspomagającego szybkie odłączenie urządzenia

Na rys. 4.1 przedstawiono schemat ideowo-blokowy urządzenia energoelektronicznego zasilanego z linii TN-S, z zaznaczoną szyną ochronną PE oraz z typowymi obwodami połączeń przeciwporażeniowych.

W przypadku wystąpienia doziemienia - do czasu zadziała­nia wyłącznika W, wyposażonego w człon różnicowoprądowy następuje wyrównanie potencjałów między obudową urządzenia a innymi, znajdującymi się w pobliżu przyrządami i metalowymi konstrukcjami, co zapobiega porażeniu napięciem dotykowym.

Należy zauważyć, że kształt przebiegu czasowego jak i wartość prądu zwarcia doziemnego urządzeń energoelektronicznych zależy nie tylko od parametrów obwodu doziemienia, lecz także od stopnia wysterowania przekształtnika w chwili wystąpienia awarii, co może opóźnić działanie zabezpieczeń.




1. Ochrona przeciwporażeniowa w urządzeniu energoelektronicznym zasilanym z sieci TN-S. PE - przewód ochronny i szyna ochronna wewnątrz szafy, K - konstrukcja budynku i przewodzące części maszyny roboczej, IW - instalacja wodna, O - odłącznik ręczny, W - wyłącznik główny z członem różnicowo-prądowym, B - szybkie bezpieczniki topikowe; nie zaznaczono obwodów przeciwprzepięciowych. [1]

Podczas normalnej eksploatacji obsługa urządzenia energoelektronicznego prowadzona przez odpowiednio wyszkolony personel techniczny, polega na takich czynnościach, jak: załączanie i wyłączanie urządzenia, odczyt wskazań przyrządów pomiarowych, zmiana nastaw parametrów wyjściowych (np. prędkości kątowej maszyny zasilanej z przekształtnika), przegląd podzespołów bez ich demontażu. Jest przy tym niezbędne przestrzeganie instrukcji i zaleceń eksploatacyjnych określonych przez producenta. W czasie pracy urządzenia energoelektronicznego nie wolno demontować ani wymieniać jakichkolwiek osłon.

Przekazane odbiorcy przemysłowe urządzenie energoelektroniczne wymaga zainstalowania, uruchomienia i strojenia przy współpracy z zasilanym z niego obiektem (maszyną) z zachowaniem kolejności czynności określonych w instrukcji obsługi i przestrzegania zasad bezpieczeństwa. Zwykle ten fragment prac jest wykonywany przez specjalnie przeszkolonych pracowników serwisowych producenta, którzy również przeprowadzają czynności w zakresie konserwacji, napraw i remontów urządzeń energoelektronicznych.

Przed przystąpieniem do jakichkolwiek prac naprawczych należy wyłączyć urządzenie w taki sposób, aby uzyskać widoczną przerwę izolacyjną pomiędzy przekształtnikiem a linią zasilającą. Przerwę taką stanowi: widoczne rozwarcie na bezpieczną odległość zestyków odłącznika, luka powstała po wyjęciu wkładek bezpiecznikowych lub zdemontowaniu części obwodu zasilania. Ewentualne obwody pozostawione pod napięciem muszą być wyraźnie wydzielone, osłonięte i tak oznakowane, aby osoby wykonujące czynności serwisowe wewnątrz przekształtnika nie uległy porażeniu.

Konstrukcja metalowych szaf, w których instaluje się układy przekształtników wraz z podzespołami sterującymi, jest przeważnie wykonana z typowych kształtowników, skręcanych lub zgrzewanych w moduły o rozmaitych - często zunifikowanych przez producenta wymiarach.

Wielu producentów przyjęło znormalizowane wymiary szaf, wynikające z zale­canej przez normy międzynarodowe szerokości kaset układów sterujących, równej 19 cali (482,6 mm). Typowe szerokości szaf wynoszą 600, 800 i 1000 mm. Kształtowniki tworzące podstawową ramę konstrukcji są perforowane, co ułatwia zaprojektowanie rozstawienia i mo­cowania we wnętrzu szafy wsporników, do których przykręca się podzespoły i elementy. Ściany boczne szafy są zwykle przykręcane śrubami, natomiast z przodu i z tyłu montuje się otwierane drzwi.

Dzięki temu rozwiązaniu wewnętrzna konstrukcja przekształtnika jest, w razie potrzeby, dostępna ze wszystkich stron. Na zewnątrz szafy na umieszczonej z przodu płycie czołowej lub drzwiach są instalowane mierniki, wskaźniki sygnalizacyjne oraz manipulatory (nastawniki potencjometryczne, przyciski sterownicze itp.). Liczba i rodzaje wskaźników sygnalizacyjnych powinny być tak dobrane, aby dostarczały obsłudze niezbędnych informacji o stanie układu. Manipulatory powinny być rozmieszczone zgodnie z zasadami ergonomii i bezpieczeństwa pracy.

Obudowy szaf urządzeń energoelektronicznych powinny zapewniać ochronę wnętrza szafy przed niekorzystnym oddziaływaniem otoczenia. Te stopnie ochrony obudów oznacza się literami IP (z ang. international protection) i umieszczonymi za nimi dwiema cyframi.

Pierwsza cyfra określa zdolność blokowania dostępu osób przed dotknięciem części znajdujących się pod napięciem lub części będących w ruchu oraz stopień ochrony przed przedostawaniem się ciał stałych do wnętrza szafy. Druga cyfra wskazuje na stopień ochrony obudowy przed przedostaniem się wody do wnętrz urządzenia. Stopnie ochrony obudów przedstawiono w tab. 4.2.

2. Stopnie ochrony (szczelności) obudów urządzeń energoelektronicznych

Opis stopnia ochrony oznaczonego kodem IP	Oznaczenie cyfrowe
Stopnie ochrony określone pierwszą cyfrą kodu
Brak ochrony Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 50 mm Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 12 mm Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 2,5 mm Ochrona przed ciałami stałymi większymi niż 1 mm Ochrona przed pyłem nie zapewniająca całkowitej pyłoszczelności Ochrona zapewniająca pyłoszczelność	0 1 2 3 4 5 6
Stopnie ochrony określone drugą cyfrą kodu
Brak ochrony Ochrona przed kroplami wody padającymi pionowo Jak wyżej, przy przechyle urządzeń o względem ustawienia normalnego Ochrona przed deszczem padającym pod kątem Ochrona przed bryzgami wody kierowanymi z dowolnej strony Ochrona przed strugami wody kierowanymi z dowolnej strony Ochrona przed falami wody Ochrona przed zalaniem wodą Ochrona przed długotrwałym zanurzeniem w wodzie	0 1 2 3 4 5 6 7 8

1. Warunki eksploatacji i kompatybilności urządzeń energoelektrycznych

Gwarantowane przez wytwórcę poprawne działanie urządzenia energoelektrycznego jest możliwe przy spełnieniu odpowiednich warunków. Dotyczące one przede wszystkim środo­wiska, w którym to urządzenie ma pracować, jakości linii zasilającej oraz poziomu zakłóceń elektromagnetycznych, oddziałujących na przekształtnik.

Jednocześnie urządzenie energoelektryczne nie powinno być uciążliwe w eksploatacji, a w szczególności nie powinno wpływać ujemnie na pracę innych urządzeń technicznych przede wszystkim elektrycznych. Wzajemne dopasowanie urządzenia energoelektronicznego do warunków środowiskowych i technicznych jest nazywane kompatybilnością (z ang. compatibility zgodność, zdolność przystosowania się). Rozróżnia się przy tym kompatybilność środowiskową (techniczno-klimatyczną), kompatybilność z linią zasilającą i kompatybilność elektromagnetycnej.

12. Warunki środowiskowe

O warunkach środowiskowych, zwanych także warunkami techniczno-klimatycznymi, decydują następujące czynniki:

• temperatura i wilgotność powietrza;

• zanieczyszczenia powietrza stałymi cząstkami pyłu przewodzącego i nie przewodzącego prąd;

• zawartość w powietrzu gazów wybuchowych i par agresywnych chemicznie, wywołują­cych korozję i stwarzających niebezpieczeństwo wybuchu;

• temperatura czynnika chłodzącego;

wysokość położenia miejsca zainstalowania urządzenia pod poziomem morza;

natężenie udarów, drgań i wstrząsów mechanicznych w miejscu zainstalowania (np. wibracje urządzeń w lokomotywach elektrycznych, na statkach, w obrabiarkach itp.).

Norma IEC 146-1-1 określa tzw. normalne warunki eksploatacji, podając dopuszczalne zakresy zmian niektórych z wymienionych czynników środowiskowych. Zasadniczym ele­mentem środowiskowym decydującym o poprawnej pracy urządzenia energoelektronicznego jest temperatura otoczenia i temperatura czynnika chłodzącego.

W czasie transportu i składania, temperatura powietrza otaczającego urządzenie energoelektroniczne powinna mieścić się w przedziale -40÷+55^°C. Podczas pracy urządzeń wnętrzowych, gdy chłodzące powietrze jest pobierane z otoczenia, jego temperatura powinna mieścić się w przedziale 0÷+40^°C. Często jest konieczne odprowadzenie ciepłego powietrza z pomieszczenia, w którym pracuje przekształtnik.




2. Zależność dopuszczalnej względnej obciążalności urządzeń energoelektronicznych: od wysokości - h, ich lokalizacji (krzywa h), oraz temperatury T powietrza otoczenia (krzywa T)

3. Dopuszczalne chwilowe ekstremalne temperatury czynnika chłodzącego na wejściu systemu chłodzenia (wg PN - IEC 146-1-1)

Czynnik	Dopuszczalna temperatura [
		Minimalna	Maksymalna
Powietrze Woda Olej	0 +5 -5	+40 +30 +30

Przy chłodzeniu wodnym temperatura otoczenia nie może być niższa niż zero.

W tablicy 4.3. podano dopuszczalne zmiany temperatury czynników chłodzących na początku ich obiegu w systemie chłodzenia. Średnia dzienna maksymalnych temperatur czynników chłodzących na początku obiegu (przy wlocie do obudowy) nie może przekraczać +30^°C, a średnia roczna +25^°C.

Minimalna dopuszczalna wartość wilgotności względnej otaczającego powietrza wynosi 15%. Standardowe konstrukcje urządzeń energoelektronicznych są projektowane dla powietrza czystego, pozbawionego jakichkolwiek cząstek stałych, gazów i par (stopień zanieczyszczenia 1 wg PN-91/E-08109) oraz przy założeniu, że nie występuje zjawisko kondensacji pary (brak szybkich zmian temperatury i ciśnienia atmosferycznego). Zakłada się również, że urządzenie będzie zainstalowane w miejscu położonym na wysokości nie przekraczającej 1000 m nad poziomem morza.

Warunki środowiskowe o parametrach innych niż wymienione wyżej są uznawane jako nienormalne i powinny być przedmiotem specjalnych uzgodnień między dostawcą a użytkownikiem.

Jako przykładowe, często występujące w praktyce nienormalne warunki pracy można wymienić :

- wodę chłodzącą, zawierającą składniki powodujące korozję lub niedrożność instalacji (np. woda twarda, woda morska);

- obce cząstki w otaczającym powietrzu (np. duży stopień zanieczyszczenia i kurz);

- zawartość domieszek eksplozyjnych w powietrzu, w tym pyłków i gazów;

- powietrze o dużej zawartości gazów i par korozyjnych (np. w pobliżu morza, spaliny, opary kwasów);

- dużą wilgotność względną i wysokie temperatury średnie, odpowiadające warunkom kli­matu subtropikalnego i tropikalnego;

- szybkie zmiany temperatury otoczenia powyżej 5 K/h) i wilgotności względnej (przekraczające 5%/h), wywołujące efekt skraplania;

- pracę w temperaturach niższych niż minimalne dopuszczalne temperatury środka chłodzącego, (tzw. Arktyczne warunki pracy), występujące np. w urządzeniach trakcyjnych;

- miejsce zainstalowania powyżej 1000 m nad poziomem morza;

- udary i wibracje oraz inne naprężenia mechaniczne o dużej intensywności.

Specjalne wymagania są stawiane urządzeniom przeznaczonym do pracy w obszarach zagrożonych wybuchem i w pomieszczeniach o wyjątkowym zagrożeniu pożarowym. Muszą one charakteryzować starannym wykonaniem wszelkich połączeń, gwarantujących pracę bez iskrową.

Obudowa takich urządzeń musi być szczelna (tzw. Zamknięta) o stopniu ochrony IP44 lub IP54, tab.4.2.

Przekształtniki instalowane w środowisku o dużym zapyleniu i du­żej wilgotności muszą wykazywać odporność na te czynniki. Uzyskuje się ją poprzez spełnie­nie wymagań w zakresie koordynacji izolacji. W przekształtnikach takich stosuje się m.in.:

• zwiększone odstępy izolacyjne między przewodami czynnie przewodzącymi prąd (np. odstępy izolacyjne między przewodami ułożonymi na powierzchni materiału izolacyjnego muszą być nawet czterokrotnie większe niż w powietrzu);

• obwody drukowane pokrywane lakierem, żywicą lub zalewane specjalną masą izolacyjną;

• materiały izolacyjne nie pochłaniające wilgoci (np. porcelana);

• pyłoszczelne obudowy zamknięte;

Przy chłodzeniu powietrznym, intensywność odparowywania ciepła wydzielanego w urządzeniu energoelektronicznym zależy od ciśnienia atmosferycznego, którego wartość jest m.in. związana z wysokością miejsca zainstalowania przekształtnika nad poziomem morza.

Na rys. 4.2 przedstawiono przykładowe wykresy ilustrujące redukcję osiąganych mocy wyjściowych, odniesionych do mocy znamionowych przekształtników w zależności od wysokości ich zainstalowania oraz od temperatury otoczenia przy zmianach tych czynników w warunkach uważanych za normalne i nienormalne [1].

W wielu przypadkach przekształtniki muszą wykazywać odporność na wibracje i udary mechaniczne, które mogą wywoływać drgania rezonansowe przewodów i innych podzespołów, powodując pęknięcia lub inne uszkodzenia mechaniczne. Przekształtniki narażone na takie warunki pracy są odpowiednio konstruowane i poddawane badaniom wstrząsowym.

Na przykład urządzenia przeznaczone do zamontowania na lokomotywach elektrycznych w trakcie badań są wprowadzane w drgania o częstotliwościach 1
100Hz, z przyspieszeniem 30m/s² w trzech kierunkach.

Niekorzystny wpływ urządzeń przekształtnikowych na otoczenie (w tym również na personel obsługujący) dotyczy przede wszystkim hałasu, wywołanego pracą wentylatorów oraz drgań uzwojeń, blach dławików i transformatorów.

Maszyny elektryczne zasilane z przekształtników -z uwagi na odkształcone przebiegi czasowe prądów są również źródłem hałasu. Niedogodnością jest także wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniach z zainstalowanymi przekształtnikami. [1]

13. Elektryczne warunki pracy i kompatybilność elektromagnetyczna

Ciągle wzrastająca liczba różnych odbiorników przyłączanych do systemu elektroenergetycznego wpływa na intensywność wzajemnego oddziaływania między tymi odbiornikami, prowadzącego najczęściej do pogorszenia ich elektrycznych warunków pracy. Oddziaływanie to odbywa się za pośrednictwem wzajemnych sprzężeń galwanicznych przez sieć zasilającą oraz przez fale elektromagnetyczne emitowane przez poszczególne odbiorniki (z ang. electromagnetic interferencje - EMI).

Problemy wzajemnego oddziaływania odbiorników na elektryczne warunki ich eksploatacji wchodzą w zakres kompatybilności elektromagnetycznej (z ang. electromagnetic compatibility - EMC) urządzeń elektrycznych, a w tym i kompatybilności z linią zasilającą.

Przekształtniki energoelektroniczne oddziałują niekorzystnie na linię zasilającą i są źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. Same są też wrażliwe na zakłócenia docierające zarówno od strony źródła zasilania, jak i za pośrednictwem pól elektromagnetycznych wytwarzanych we własnych obwodach głównych oraz emitowanych przez inne urządzenia.

Elektryczne warunki pracy urządzeń energoelektronicznych są określone przede wszystkim parametrami linii zasilającej prądu przemiennego lub stałego, intensywnością różnego rodzaju zakłóceń elektromagnetycznych oraz rodzajem obciążenia.

14. Zasilanie napięciem przemiennym przekształtników

Na niezawodną i bezpieczną pracę przekształtników sieciowych zasadniczy wpływ ma jakość napięcia przemiennego jedno- lub trójfazowej linii zasilającej. O jakości tego napięcia decydują następujące czynniki:

• długo i krótkotrwałe różnice wartości skutecznej napięcia linii w odniesieniu do skutecznej wartości znamionowej;

• stopień odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii od idealnego przebiegu sinusoidalnego;

• wolno- i szybkozmienne różnice częstotliwości napięcia linii w odniesieniu do częstotliwości znamionowej;

• asymetria napięcia linii wielofazowych, określona w radianach albo jako zawartość składowej symetrycznej przeciwnej wyrażona w procentach składowej symetrycznej zgodnej.

Znamionowe wartości skuteczne napięć przemysłowych linii elektroenergetycznych wewnątrzzakładowych wynoszą 230V, 400V, 500V, lub 600V, przy znamionowej wartości częstotliwości równej 50Hz. W zależności od poziomu i zakresu zmian wymienionych czynników rozróżnia się sieci elektroenergetyczne przeznaczone tylko do zasilania przekształtników energoelektronicznych, sieci ogólnego użytku (obciążone także maszynami prądu przemiennego) oraz sieci wysokiej jakości, przeznaczone do zasilania odbiorników o dużej wrażliwości na zmiany warunków zasilania.

Zgodnie z normą PN-IEC 146-1-1 przekształtniki zasilane z danego rodzaju sieci elektrycznej muszą być odporne (dopasowane) na występujące w niej zmiany i zniekształcenia napięcia. W zależności od rodzaju sieci, rozróżnia się trzy klasy odporności przekształtników spełniające warunki kompatybilności z tymi sieciami, określone w tabl. 4.4 symbolami A, B, C.

4. Klasy odporności przekształtników sieciowych (wg PN-IEC 146-1-1)

Zmiany napięcia i częstotliwości linii zasilającej		Klasy odporności			Możli-wy skutek
				A		B	C
Zmiany napięcia w stanie ustalonym, %		+10/-10	+10/-10	+10/-5	F
Krótkotrwałe zmiany napięcia (0,5÷30 okresów), %; praca prostownikowa (UdN ,IdN) praca falownikowa (UdN, IdN)		+15/-15 +15/-15	+15/-10 +15/-10	+15/-10 +15/-7,5	T T
Wskaźnik zawartości wyższych harmonicznych, %		25	10	5	F
Zawartość składowych harmonicznych w stanie usta­lonym, %: składowe nieparzyste składowe parzyste		12,5 2	5 2	2,5 1	F F
Załamania komutacyjne w stanie ustalonym: głębokość (w % amplitudy ULWM ) powierzchnia (% razy st. elekt.)		100 625	40 250	20 125	T T
Zakres zmian częstotliwości, %		+2/-2	+2/-2	+1/-1	F
Szybkość zmian częstotliwości, %/s		+2/-2	+1/-1	+1/-1	F
Asymetria napięcia trójfazowego*, %:	W stanie ustalonym	5	5	2	F
		zmiany krótkotrwałe: tylko praca prostownikowa praca prostownikowa i falownikowa	5 5	5 5	3 2	T T
*Składowa symetryczna przeciwna podawana w procentach składowej symetrycznej zgodnej.

Przekroczenie dopuszczalnych tolerancji wielkości charakteryzujących jakości linii zasilającej może spowodować:

utratę właściwości przekształtnika polegającą np. na zmniejszeniu dopuszczalnej mocy wyjściowej (poziom skutku F);

• przerwę w pracy na skutek zadziałania zabezpieczeń (poziom skutku T) z automatycznym ponownym załączeniem po zaniku zakłóceń bądź z załączeniem wymagającym interwencji obsługi (np. wymiana bezpieczników);

• stałe uszkodzenie przekształtnika (poziom skutku D), które może wystąpić np. na skutek dużego przepięcia w sieci, niszczącego przyrządy półprzewodnikowe.

Jeśli przyszły użytkownik nie precyzuje warunków zasilania, zwykle przyjmuje się klasę odporności B.

Wymagania klasy A stosuje się do urządzeń przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach zasilania, występujących np.: przy bezpośrednim przyłączeniu kilku przekształtników do wspólnego transformatora bądź też w przypadku sieci autonomicznych (okrętowych, zespołów prądotwórczych itp.) o małej mocy zwarciowej.

Przekształtnik klasy A są zalecane także w przypadku, gdy prawdopodobieństwo przekroczenia warunków zasilania przypisanych klasie B lub C jest niewielkie, ale skutki awarii byłyby kosztowne lub niebezpieczne.

Dotyczy to również przypadku, gdy przewiduje się przyłączenie następnych przekształtników lub innych odbiorników negatywnie oddziałujących na linię zasilającą. Produkcja oraz eksploatacja przekształtników o wysokiej odporności jest bardzo kosztowna.

Wymagania klasy B stosuje się do przekształtników zasilanych z sieci elektroenergetycznej ogólnego przeznaczenia łącznie z innymi odbiornikami prądu przemiennego, np. z różnego rodzaju silnikami. Przekształtniki wykonane w klasie B mogą być także stosowane w trudnych warunkach zasilania, jeśli przewiduje się dodatkowe środki poprawiające te warunki (np. tłumiki przepięć transformatory separujące, filtru wyższych harmonicznych, kompensatory itd.) tak by odpowiadały one niższemu poziomowi zakłóceń od wymagań klasy B.

Przekształtniki klasy C mogą być zainstalowane w rozgałęzionych sieciach niewielkiej mocy o stałym obciążeniu, jednak przy zachowaniu dużej wartości stosunku mocy zwarciowej sieci do mocy pozornej wejściowej przekształtnika. Przy spełnieniu tego warunku nie nastąpi istotna zmiana poziomu zniekształcenia napięcia linii.

Należy pamiętać, że zniekształcenia napięcia linii powodowane przez przyłączony do niej przekształtnik, sumowane ze zniekształceniami już występującymi w tej linii, nie mogą prze­kroczyć granic ustalonych dla danej klasy odporności instalowanego przekształtnika. Przeważnie spełnienie tego wymagana wiąże się z koniecznością stosowania dławików sieciowych bądź transformatorów. Wyjątek mogą stanowić tylko przekształtniki o klasie odporności A.

Nieokresowe odkształcenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej mają przeważnie charakter impulsów przepięciowych. W przypadku linii średnich i niskich napięć odkształcenia te są związane głównie z procesami załączania i wyłączania odbiorników w stanie zwarcia (np. przepalenie bezpieczników), a w przypadku linii napowietrznych - również z wyładowaniami atmosferycznymi. Przepięcia będące wynikiem procesów łączeniowych mogą osiągnąć wartości dochodzące do 2,5-krotnej amplitudy napięcia znamionowego.

Uderzenia piorunów w przewody linii napowietrznej wywołują przepięcia dochodzące do dziesięcio a nawet stukrotnej wartości amplitudy napięcia znamionowego.

Oprócz niepowtarzalnych impulsów przepięciowych w przebiegach czasowych napięć wejściowych przekształtników sieciowych występują odkształcenia okresowe, będące wynikiem procesów komutacyjnych, zachodzących w tych przekształtnikach i w przekształtnikach sąsiednich, zasilanych w tej samej linii.

Odkształcenia te mają charakter tzw. załamań komutacyjnych, które w początkowej i końcowej fazie wykazują oscylacje o kształcie okresowych impulsów przepięciowych.

Na rys. 4.3 przedstawiono przykładowy przebieg czasowy napięcia przemiennego, wykazujący impulsowe przepięcia niepowtarzalne o wartości szczy­towej U_LSM oraz załamania i przepięcia komutacyjne, dla trójfazowego przekształtnika mostkowego (diodowego lub tyrystorowego).

Odchylenia przebiegu czasowego napięcia linii zasilającej od przebiegu sinusoidalnego można scharakteryzować podając odpowiednie parametry opisujące impulsy przepięciowe i załamania komutacyjne oraz podając zawartości wyższych harmonicznych odkształconego napięcia.

Zgodnie z normą impulsy przepięciowe mają charakterystyczne następujące parametry (w nawiasach podano typowe wartości):

• energia przejściowego przebiegu impulsowego w J (np. 400S_tN przy przerwaniu prądu pracy jałowej transformatora o mocy znamionowej S_tN w MV⋅A);

• czas narastania impulsu 0,1÷0,9 wartości szczytowej (np. 1 μs);

• powtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyrażona stosunkiem U_LRM/U_LWM (np. 1,25);

• niepowtarzalna wartość szczytowa napięcia, wyrażona stosunkiem U_LSM/U_LWM (np. 2÷2,5 przy zastosowaniu typowego obwodu tłumiącego);

• czas trwania ponad 0,5 wartości szczytowej impulsu przypadkowego (np. 1÷300 μs).




3. Przykładowy przebieg czasowy napięcia przemiennego zasilającego przekształtnik sześciopulsowy mostkowy. U_LWM - wartość szczytowa robocza napięcia fazowego linii, U_LRM - wartość szczytowa powta­rzalna napięcia linii, U_LSM - wartość szczytowa niepowtarzalna napięcia linii, t_a - czas trwania ponad 0,5 wartości szczytowej niepowtarzalnej napięcia linii, A - powierzchnia załamania komutacyjnego

Dobierając klasy napięciowe elementów półprzewodnikowych wchodzących w skład przekształtników sieciowych, należy uwzględnić zarówno przepięcia impulsowe występujące w linii zasilającej w miejscu zainstalowania urządzenia energoelektronicznego, jak i zastoso­wane środki zabezpieczające.

W zależności od użytej aparatury rozdzielczej, rodzaju elementów tłumiących przepięcia (odgromniki, warystory, kondensatory, filtry reaktancyjne) w instalacjach o napięciu 230/400 V mogą wystąpić przepięcia impulsowe o wartościach szczytowych dochodzących do 6 kV. Przekształtniki zasilane z takich instalacji są projektowane najczęściej na napięcia o wartościach szczytowych 2,5 kV.[1]

Przy danym obciążeniu i kącie wysterowania przekształtnika sterowanego fazowo, wartość głębokości załamania komutacyjnego ΔU oraz kąt komutacji μ zależą od indukcyjności linii L_L i indukcyjności dławików sieciowych bądź indukcyjności rozproszenia transformatora przekształtnikowego L_S .rys. 4.4. Indukcyjności L_L i L_S są połączone w czasie komutacji szeregowo, tworząc dzielnik indukcyjny. Im mniejsza jest reaktancja linii X_L = ωL_L w sto­sunku do reaktancji dławika sieciowego X_S = ωL_S tym mniejsze są załamania komutacyjne.







4. Zasilanie przekształtnika sieciowego: a) schemat zastępczy systemu zasilania; b) przebiegi czasowe napięcia zasilającego w czasie komutacji

Względną wartość załamania komutacyjnego można wyrazić zależnością

(4.1)

W celu zachowania określonej wartości tego załamania należy zastosować dławiki sieciowe o reaktancji

(4.2)

Przy czym S_C jest mocą zwarciową linii, wyrażoną zależnością:

(4.3)

Przy opisie odkształceń napięcia sieci za pomocą składowych harmonicznych wykorzystuje się następujące wskaźniki:

(4.4)

(4.5)

przy czym ω_hn- współczynnik zawartości harmonicznej n-tego rzędu; ω_hu - współczynnik zawartości wyższych harmonicznych (globalny lub wypadkowy współczynnik odkształcenia); U, U_hn - wartość skuteczna odkształconego napięcia linii i n-tej harmonicznej tego napięcia.

W przypadku, gdy kilka przekształtników jest połączonych do tych samych zacisków linii zasilającej bądź tych samych końcówek uzwojenia wtórnego transformatora przekształtnikowego, nie należy spodziewać się, aby ogólna powierzchnia wszystkich załamań komutacyjnych podczas jednego okresu napięcia linii przekroczyła czterokrotną powierzchnię podaną dla pojedynczego podstawowego załamania komutacyjnego. [1]

1. Modele przekształtników z odbiornikami

Przy projektowaniu obwodu sterowania do urządzeń energoelektronicznych nie jest praktycznie możliwe pominiecie właściwości współpracującego z tym przekształtnikiem odbiornika.

Niezbędne jest stosowanie modelu obejmującego zjawiska i charakterystyki, które są decydujące dla sterowanego procesu (lub procesów) i jednocześnie dopasowanego do przyjętej metody sterowania i struktury systemu. Zagadnienie wyboru czy tworzenia modelu systemu ma kluczowe znaczenie dla łatwości i jakości sterowania.

Szczególnego rozważania wymagają takie zagadnienia, jak dokładność i liniowość, stopień złożoności czy przejrzysta interpretacja przyjętego modelu. Często konieczne jest posługiwanie się kilkoma modelami o różnym stopniu złożoności i dokładności dla porównania i wyboru modelu najbardziej zgodnego z doświadczeniem.

Głównym obszarem zainteresowania dotyczącym układów sterowania są właściwości systemu w stanach dynamicznych, a zatem ich zdolność do stabilnej pracy przy szybkim osiąganiu zadanych wielkości wyjściowych (np. prądu, napięcia, prędkości obrotowej). Oznacza, to, że model musi uwzględniać nie tylko charakterystyki statyczne, ale również właściwości dynamiczne obiektu z przekładnikiem.

Przekształtnik jako główny blok wykonawczy w torze sterowania obiektem (odbiornikiem) stanowi konfigurację elementów liniowych (dłąwików, kondensatorów) i łączników (przyrządów półprzewodnikowych), których nie liniowość wynika z ich zasady działania.

Ponieważ w urządzeniach energoelektronicznych czas trwania cyklu Łączeniowego przy formowaniu i sterowaniu wielkości wyjściowych przekształtnik jest znacznie krótszy od stałych czasowych odbiornika lub stosowanego na wyjściu filtru, możliwe jest zastosowanie metody uśrednienia wartości napięć i prądów w pewnym przedziale czasu, zwykle równym cyklowi przełączeń.

Model przekształtnika sformułowany dla uśrednionych wartości napięć i prądów podlega ogólnym prawom analizy obwodów.

Typowe przykłady operacji uśredniających prowadzących do liniowego modelu przekształtnika zostały pokazane na rys. 4.5.

Prosty układ łącznika jako impulsowego regulatora napięcia stałego, rys. 4.5a może być traktowany jako człon proporcjonalny, którego napięcie wyjściowy jest równe wartości średniej za okres impulsowania. Ponieważ napięcie na wyjściu łącznika zależy od stanu przewodzenia łącznika (tzw. funkcji łączeń), procedura uśrednienia może zostać sprowadzona do samej funkcji łączeń S(t).

Ilustrują to przebiegi, z rys. 4.5b sygnał sterujący przekładnika U_st podlega przetworzeniu na sygnał impulsowy o wartości maksymalnej równej 1 i współczynniku wypełnienia proporcjonalnym do napięcia sterującego.

W większości przypadków, z uwagi na dużą częstotliwość łączeń, pomija się efekt opóźnienia w sterowaniu napięciem związany z czasem martwym wynikającym z okresu impulsowania.

Obwód wyjściowy przekształtnika w rozpatrywanym przykładzie odpowiada typowemu obciążeniu -obwodowi RL, który występuje w przypadku regulacji prądu.

Oznacza to, że elementarny obwód regulacji spotykany w energoelektronice może być rozpatrywany jako człon pierwszego rzędu o stałej czasowej T= L_o/R_o i wzmocnieniu odpowiadającym wzmocnieniu przekształtnika impulsowego.




5. Model przekształtnika impulsowego zasilanego ze źródła napięcia.
   a) schemat układu, b) przebiegi w modelu przy skokowej zmianie wielkości sterującej, c) schemat blokowy układu jako członu regulacji

Niekiedy opóźnienie wywołane dyskretnym procesem sterowania przekształtnika nie powinno być pominięte przy formułowaniu dynamicznego modelu. Typowy przykład takiej sytuacji odpowiada sterowaniu tyrystorowego prostownika.

Zgodnie ze schematem, rys. 4.6a zmiana wejściowego sygnału sterującego powoduje reakcję układu z opóźnieniem, rys. 4.6b, którego wartości może nie zmieniać od 0 do T/p (gdzie T- okres napięcia sieci zasilającej, p- liczba pulsów prądu wyjściowego w okresie). Dla odzwierciedlenia opóźnienia przyjmuje się, że oprócz członu wzmacniającego jest reprezentowany przez człon opóźniający e^-sT. [1]




6. Model prostownika tyrystorowego.; a) schemat układu; b) przebiegi napięć; c) schemat zastępczy prostownika tyrystorowego pracującego w obwodzie regulacji prądu jest reprezentowany przez model blokowy.

Zgodnie z ogólnym założeniem podstawowe metody projektowania i syntezy układów regulacji dotyczą układów liniowych. Brak liniowości systemu przekładnika ze sterowanym przez niego obiektem jest niestety dosyć częstym przypadkiem. Konieczne jest wtedy dokonanie odpowiednich transformacji prowadzących do linearyzacji modelu.

Dobry przykład stanowi tu omawiany prostownik tyrystorowy (rys. 4.6a). zależność miedzy wartością średnią napięcia wyjściowego a sygnałem sterującym - kątem późnienia załączenia jest opisana funkcją trygonometryczną (cos). W celu uzyskania liniowości konieczne jest wprowadzenie na wejściu układu sterowania prostownika bloku (nastawnika kąta) odwzorowującego funkcję odwrotną do reprezentowanej przez sam przekształtnik.

Stosowanie do tego w modelu prostownika należy, rys. 4.7 w torze sterowania uwzględnić blok, ,,arc cos'', dzięki czemu uzyska się pełną linearyzację zależności między sygnałem wejściowym i wyjściowym.




7. Metoda linearyzacji układu sterowania prostownika tyrystorowego

Innym sterowanym z przekładnika i trudnym do linearyzacji obiektem jest trójfazowa maszyna indukcyjna. Sprzężenia elektromagnetyczne występują między fazami prowadzą do występowania nieliniowych zależności uniemożliwiających niezależne sterowanie strumieniem magnetycznym (wzbudzeniem) i momentem. Metodą powszechnie stosowaną do rozwiązania tego zadania jest wprowadzenie transformacji nieliniowej, która powoduje utworzenie modelu o odsprzężonych zmiennych sterowanych. [2]

1. LITERUTURA do rozdziału

[1]  Poradnik inżyniera energoelektronika. Mieczysław Nowak, Roman Barlik.(roz.37).

[2]  Mgr inż. A. Michalski, Mgr inż. A. Pyka Mgr inż. F. .Szczucki, Centrum EMAG, Katowice. Bezpieczeństwo w elektryce




5. ZABEZPIECZANIE SILNIKÓW ZASILANYCH Z POŚREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZĘSTOTLIWOŚCI

Przekształtniki energoelektroniczne na dobre zadomowiły się w obwodach silników elektrycznych i to w roli, przede wszystkim jako rozruszniki umożliwiające „łagodny rozruch” (ang. Softstart) i różnorodne procedury hamowania i zatrzymywania silników oraz jako regulatory prędkości obrotowej. W powiązaniu z układami mikroprocesorowego sterowania, swobodnie programowalnymi przez użytkownika, powstają układy napędowe o cechach eksploatacyjnych i charakterystykach technicznych dawniej niewyobrażalnych. Mimo wysokiego kosztu inwestycyjnego łatwo uzasadnić ich opłacalność w odpowiedzialnych zastosowaniach. Prostsze i tanie rozwiązania przekształtników spotyka się w urządzeniach, którym stawia się niewygórowane wymagania, również w sprzęcie powszechnego użytku.

Silniki powiązane z przekształtnikami podlegają ogólnym zasadom zabezpieczania obwodów silnikowych z uwzględnieniem ogólnych narażeń, jakim podlegają, i szczególnych możliwości, jakie daje bogate wyposażenie w przetworniki, czujniki i mierniki układów przekształtnikowych do zastosowań przemysłowych. Sprawę komplikuje mała odporność na przetężenia i przepięcia zaworów półprzewodnikowych, bo i sam przekształtnik, na ogół znacznie droższy niż silnik, wymaga wyrafinowanych układów zabezpieczeń. Stosowane rozwiązania są złożone i różnorodne, bo dotyczą przekształtników i silników o różnej zasadzie działania i koncepcji budowy, o różnych zakresach napięcia znamionowego i mocy znamionowej. Te pozornie niepodobne rozwiązania techniczne opierają się jednak na tych samych zasadach elektrotechniki stosowanej, na tych samych uznanych regułach technicznych ujętych w normach i przepisach, i te ogólne zasady trzeba wyraźnie dostrzegać. Przegląd różnorodnych stosowanych układów silnik-przekształtnik i ich zabezpieczeń byłby grubą księgą. W poniższym tekście chodzi raczej o wytyczenie drogowskazów pomocnych w większości sytuacji, a podawane informacje szczegółowe odnoszą się do układu najpowszechniej stosowanego: trójfazowego niskonapięciowego silnika klatkowego zasilanego poprzez pośredni przemiennik częstotliwości z instalacji prądu przemiennego o układzie TN.

1. Przegląd zabezpieczeń obwodów silnikowych

Silnik zasilany z przekształtnika pozostaje silnikiem i dotyczą go ogólne wymagania dotyczące zabezpieczania silników i obwodów silnikowych. Informacje podawane w tym rozdziale dotyczą wprawdzie wszelkich niskonapięciowych silników trójfazowych, ale są ukierunkowane na specyfikę zasilania silnika z przekształtnika, zwłaszcza z pośredniego przemiennika częstotliwości. Nie uwzględniają jednak szczególnych narażeń silnika i aparatów zabezpieczających w obwodzie z przekształtnikiem, co jest tematem dalszych rozdziałów.

1. Zabezpieczenie przed skutkami zwarć zewnętrznych ( w przewodach zasilających )[xx ]

Zabezpieczenie zwarciowe jest wymagane w każdym obwodzie, a więc również w każdym obwodzie silnikowym. Stanowi je urządzenie zabezpieczające nadprądowe zainstalowane na początku obwodu oddzielnie lub jako część składowa rozrusznika:

• albo bezpieczniki klasy gG lub aM, a w obwodach zasilających przemienników bez wbudowanych bezpieczników mostka prostowniczego (co występuje coraz powszechniej) -bezpieczniki klasy aR lub gR,

• albo wyłącznik nadprądowy, który - poza nienastawialnym lub nastawialnym wyzwalaczem albo przekaźnikiem zwarciowym - ma nastawialny wyzwalacz albo przekaźnik przeciążeniowy.

Zabezpieczenie zwarciowe jest na ogół oddzielne dla każdego silnika, ale wolno wspólnie zabezpieczyć grupę silników powiązanych funkcjonalnie, jeżeli w razie zwarcia w przewodach dochodzących do jednego silnika mogą lub powinny być wyłączone również pozostałe. Na przykład przekształtnik zasilający grupę silników może mieć jedno zabezpieczenie zwarciowe na początku swojego obwodu zasilającego.

Urządzenia wykrywające przepływ prądu zwarciowego i przerywające obwód powinny być umieszczone w każdym nieuziemionym przewodzie obwodu. Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć zdolność wyłączania odpowiadającą największemu spodziewanemu prądowi zwarciowemu (zwarcia trójfazowego) na początku obwodu, tzn. na zaciskach wejściowych tegoż zabezpieczenia.

Powinno też wykazywać należytą czułość, tzn. wykrywać i wyłączać w wymaganym czasie najmniejsze spodziewane prądy zwarciowe (zwarć dwu- i jednofazowych¹) na końcu obwodu, na zaciskach silnika. Jest to zawsze istotne ze względu na ograniczenie cieplnych narażeń elementów instalacji przez prąd zwarciowy. Jest to szczególnie ważne, jeżeli zabezpieczenia zwarciowe mają dokonywać samoczynnego wyłączenia zasilania (przy zwarciach jednofazowych L-PE) dla celów ochrony przeciwporażeniowej.

Zwarcia wewnętrzne (międzyzwojowe, międzyuzwojeniowe, międzyfazowe oraz doziemne) zagrażają uszkodzeniem, a nawet zniszczeniem silnika i mogą zagrażać porażeniem, ale nie wymaga się, aby je wykrywały i w porę wyłączały zabezpieczenia zwarciowe wszelkich silników niskonapięciowych, bo to jest nieosiągalne. W przypadku silników zasilanych z przekształtników większej mocy detekcja wielu takich uszkodzeń jest możliwa i jest wykorzystywana, polega na detekcji prądu różnicowego i/lub niesymetrii prądowej i/lub nadmiernej temperatury uzwojeń.

Zabezpieczenie zwarciowe powinno mieć prąd znamionowy I_n (wkładka bezpiecznikowa) bądź prąd nastawczy I_i albo prąd zadziałania 1,2·I_i (wyzwalacz zwarciowy wyłącznika ²) jak najmniejszy, bo to zapewnia większa czułość. Zarazem wspomniany prąd powinien być wystarczająco duży, aby wyeliminować zbędne zadziałania zabezpieczenia zwarciowego w następstwie przepływu największych prądów roboczych, które występują w stanach przejściowych polegających na załączaniu i przełączaniu: przy rozruch i samorozruchu, przy impulsowaniu oraz przy hamowaniu i nawrocie. Dla klasycznych układów rozruchu silników indukcyjnych (rozrusznik: bezpośredni, autotransformatorowy, gwiazda-trójkąt, wirnikowy rezystorowy) są dostępne w poradniach i w instrukcjach firmowych proste reguły doboru i nastawiania zabezpieczeń. W dowolnej sytuacji obowiązują jednak te same zasady ogólne, które można zastosować, jeśli zna się przebieg prądu w najbardziej niekorzystnym stanie nieustalonym. Przy zasilaniu poprzez przekształtnik można ograniczać wartość prądu we wszelkich stanach przejściowych (tzw. ramp prądowy) do poziomu prądu znamionowego silnika albo niewielkiej jego krotności, co ułatwia dobór zabezpieczeń zwarciowych, zwłaszcza wyłączników.

W przypadku wyłącznika wartość szczytowa prądu niezadziałania wyzwalacza bądź przekaźnika zwarciowego
powinna być większa niż największa chwilowa wartość i_max prądu występującego we wszelkich przewidywanych stanach przejściowych. Warunek ten powinien być spełniony z pewnym zapasem, wyrażony przez współczynnik bezpieczeństwa k_b ≥ 1,25:

≥ kb imax

[ 5.1 ]

Zatem prąd nastawczy członu zabezpieczeniowego zwarciowego wyłącznika powinien spełniać warunek:

[ 5.2 ]

W obwodzie o prądzie odkształconym, z krzywą prądu wypukłą (współczynnik szczytu
), wymaga to zwiększenia (w stosunku
) prądu nastawczego wyzwalacza zwarciowego ponad wartość wystarczającą w przypadku przebiegu sinusoidalnego o tej samej wartości skutecznej, rys. 5.1. Jeżeli częstotliwość prądu przekracza 250Hz, to nawet przy przebiegu sinusoidalnym o pomijalnym odkształceniu nie można pomijać wpływu zwiększonej częstotliwości na prąd niezadziałania i prąd zadziałania wyzwalacza elektromagnesowego.

W razie znacznego odkształcenia prądu, ze względu na dodatkowe straty mocy, korekty mogą wymagać również prąd nastawczy wyzwalaczy lub przekaźników przeciążeniowych oraz prąd znamionowy ciągły wyłącznika.

¹ Wyłączanie zwarć jednofazowych przez zabezpieczenia zwarciowe nie jest wymagane przy zasilaniu z układu IT

² Rzeczywisty prąd zadziałania członu zabezpieczeniowego zwarciowego wyłącznika wynosi I_i±20%, tzn. od 0.8· I_i do 1,2· I_i (PN-EN 60947-2:2001).

W przypadku bezpiecznika obowiązuje cieplne kryterium niezadziałania i zadziałania: para wartości czas-prąd (t-I), a przy krótkich czasach (t<<0,1s) - po prostu skutek cieplny prądu (I²t), nazwany też całką Joule'a.




1. Określanie charakterystycznych parametrów przebiegu odkształconego dla doboru zabezpieczeń zwarciowych: szczytowa wartość prądu imax oraz prąd zastępczy cieplny Ith w przedziale czasu (0…t)

Wkładce bezpiecznikowej można przypisać pewną obciążalność krótkotrwałą wynikającą z charakterystyki przeciążeniowej leżącej na lewo od charakterystyki czasowo-prądowej t-I czasów przedłukowych rys. 5.2, w takim oddaleniu, by nie dochodziło nie tylko do zadziałania wkładki, ale nawet do zmiany struktury materiału topika pod wpływem powtarzających się krótkotrwałych obciążeń. Takie „zapamiętywanie przeciążeń: przyśpieszałoby starzenie topika i sprzyjało nieoczekiwanemu, zbędnemu zadziałaniu, bo charakterystyka czasowo-prądowa wkładki stopniowo przesuwałaby się w lewo.

Wkładce można przypisać różne charakterystyki przeciążeniowe, z tym większym marginesem bezpieczeństwa w stosunku do charakterystyki t-I przedłukowej, im większy jest prąd znamionowy wkładki, im większa jest częstość występowania rozpatrywanych krótkotrwałych obciążeń i im większą ich liczbę n wkładka powinna przetrzymać do chwili zbędnego zadziałania wskutek zmian starzeniowych.




2. Usytuowanie liniowej charakterystyki przeciążeniowej (krzywa2) względem charakterystyki czasowo prądowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o prądzie znamionowym I_n i prądzie granicznym dolnym I_nf.




3. Usytuowanie liniowej charakterystyki przeciążeniowej (krzywa2) względem charakterystyki czasowo prądowej (pasmo1) wkładki bezpiecznikowej o prądzie znamionowym I_n i prądzie granicznym dolnym I_nf.

Charakterystyka przeciążeniowa powstaje w ten sposób rys. 5.3, że danej rzędnej t odpowiadającej czasowi trwania obciążenia krótkotrwałego t
przypisuje się odciętą I= K
I
, przy czym I
jest prądem przedłukowym, a wartość współczynnika odporności na wielokrotne przeciążenia K dobiera się, rys. 5.4 zależnie od liczby cykli przeciążeniowych n, którą wkładka powinna przetrzymać; zwykle K∈ (0,50 - 0,70).




2. Rys.4 Współczynnik odporności na wielokrotne przeciążenia impulsowe K ( do sporządzenia charakterystyki przeciążeniowej t - I ) oraz wartości K
   ( do wyznaczenia wielokrotnie wytrzymywanej całki Joule
   a) w zależności od liczby przetrzymywanych cykli przeciążeniowych n. Podane wartości dotyczą przeciążeń impulsowych o czasie trwania poniżej 1s (ang. impulse loads), a w przypadku dłużej trwających przeciążeń odczytane z wykresu wartości K można zwiększyć o 15 - 20%.

Jeżeli w rozpatrywanym czasie t
trwania krótkotrwałego stanu przejściowego ze zwiększonym prądem roboczym bieżąca wartość skuteczna tego prądu zmienia się, to z dopuszczalną wartością K
I
należy porównywać prąd zastępczy cieplny I
w czasie 0...t
. Umyślony prąd o niezmiennej w czasie wartości I
jest równoważny prądowi rzeczywiście płynącemu o znanym przebiegu i(t). Oblicza się go następująco:

I =

[ 5.1 ]

Dla przebiegu prądu odkształconego na rys.1 linią przerywaną wrysowano zależność prądu zastępczego cieplnego I
(t). Każdy punkt tego wykresu wyznacza pary współrzędnych t-I
, które powinny być usytuowane na lewo od charakterystyki przeciążeniowej dobranej wkładki bezpiecznikowej.

Przy rozważaniu odporności wkładek bezpiecznikowych na krótkotrwałe ( t
<<0,1 s, nawet t
<0,01s) impulsy prądu załączeniowego samych przekształtników, kierować się trzeba wartością całki Joule
a przedłukowej I
tp wkładek. Całka Joule
a impulsu prądu załączeniowego nie powinna przekraczać wartości K

I


Przy zasilaniu z przekształtników prądy rozruchowe silników są nieduże, ale czas ich przepływu wydłuża się na tyle w porównaniu z rozruchem bezpośrednim DOL (ang. direct on line), że skutek prądu rozruchowego I
t jest na ogół znacznie (nawet 10 - 20% krotnie) większy, co nie jest bez znaczenia przy doborze prądu znamionowego bezpieczników.

Jeżeli prąd roboczy jest silnie odkształcony, to w wieloczłonowych topikach wkładek o dużym prądzie znamionowym rozpływ prądu między równolegle połączonymi członami staje się nierównomierny ze względu na różne indukcyjności dróg równoległych. Ponadto, nawet w pojedynczych cienkich topikach taśmowych występuje nierównomierna gęstość prądu i to (przy f<5kHz) wzdłuż szerokości taśmy, a nie wzdłuż jej grubości. W rezultacie zachodzą dodatkowe straty mocy [4,14,15], zwiększa się zastępcza rezystancja topika i wkładce trzeba przypisać zmniejszony prąd znamionowy ciągły. Takie efekty występują, jeżeli wartość ok. 250 Hz przekracza bądz harmoniczna podstawowa prądu roboczego silnika, bądź harmoniczne o znaczącym udziale w widmie prądu roboczego.

15. Zabezpieczenie przed przeciążeniem

Przeciążenie silnika objawia się przepływem w określonym czasie prądu większego niż prąd największy dopuszczalny w danych warunkach użytkowania. Istotna jest zatem para wartości: prąd pobierany I oraz czas jego przepływu t. Pamiętać trzeba, że jeżeli warunki środowiskowe, obniżona prędkość obrotowa bądź inne okoliczności pogarszają warunki chłodzenia silnika, to podstawą rozważań powinien być zredukowany (ang.derated) prąd znamionowy silnika, jaki można wtedy dopuścić przy pracy ciągłej.




3. Przykład instalacji zasilanej z przekształtnika ze wspólnym zabezpieczeniem zwarciowym oraz indywidualnymi zabezpieczeniami przeciążeniowymi nadprądowymi silników.

W zasadzie silnik elektryczny o mocy większej niż 0,5 kW powinien mieć zabezpieczenia przeciążeniowe i powinno to być zabezpieczenie oddzielne dla każdego silnika, rys. 5.5. Od zasady tej wolno odstąpić w następujących przypadkach:

• silniki o prądzie znamionowym mniejszym niż 4 A, jeżeli brak zabezpieczenia nie zagraża uszkodzeniu mechanizmu napędzanego lub innymi poważnymi konsekwencjami,

• silniki do pracy ciągłej o mocy znamionowej nie przekraczającej 10 kW, jeżeli przeciążenie silnika jest mało prawdopodobne (np. napęd odśrodkowych pomp lub wentylatorów),

• silniki, których nie można przeciążyć (np. silniki momentowe, zespoły napędowe chronione mechanicznymi urządzeniami przeciw przeciążeniowymi),

• silniki do pracy przerywanej, jeżeli ich zabezpieczenie nadprądowe byłoby nieskuteczne, a zastosowanie czujników temperatury nie jest ekonomicznie uzasadnione.

Silniki stanowiące zespół z indywidualnym zasilaczem (transformatorem, przekształtnikiem energoelektronicznym), wyposażonym w zabezpieczenie przeciążeniowe obwodu wyjściowego, nie wymagają osobnego zabezpieczenia przeciążeniowego.

Wypada tu podkreślić, że są obwody elektryczne, również obwody silników elektrycznych, w których zabezpieczeń przeciążeniowych działających na wyłączenie, stosować nie wolno. Chodzi o napędy ważne dla bezpieczeństwa ludzi i mienia, które w krytycznej sytuacji powinny działać mimo przeciążenia i mimo ryzyka ich uszkodzenia, a nawet ryzyka zniszczenia, np. pompa pożarnicza, maszyna sterowa statku, ster strumieniowy. W takich przypadkach przeciążenie powinno być tylko sygnalizowane operatorowi.

Wielkością kryterialną, kontrolowaną przez zabezpieczenie przeciążeniowe, jest zwykle bo to najłatwiej wykonać - prąd pobierany z sieci (prąd stojana) i/lub temperatura uzwojeń stojana. Ściśle biorąc tak działające zabezpieczenie jest skuteczne tylko w odniesieniu do silników o krytycznym stojanie, tzn. silników, w których z powodu przeciążenia uzwojenie stojana szybciej niż uzwojenie wirnika (izolowane lub klatkowe) osiąga i przekracza dopuszczalną temperaturę; tak się zachowuje niemal wszystkie niskonapięciowe silniki indukcyjne o mocy do ok. 150 kW. Skuteczne zabezpieczenie przeciążeniowe silników o krytycznym wirniku wymaga bardziej złożonych rozwiązań zabezpieczeń.




3. Wymagania co do przebiegu charakterystyki t-I napędowych przekaźników przeciążeniowych

Klasa wyzwalania	Czas wyzwalania T przy krotności prądu nastawczego
		1,05	1,2	1,5	7,2
5	T ≥ 2 h	T < 2 h	T ≤ 2 min*)	1 < T ≤ 5 s *)
10A					T ≤ 2 min	2 < T ≤ 10 s
10					T ≤ 4 min	4 < T ≤ 10 s
15					T ≤ 6 min *)	5 < T ≤15 s *)
20					T ≤ 8 min	6 < T ≤ 20 s
25					T ≤ 10 min *)	7,5 < T ≤ 25 s *)
30					T ≤ 12 min	9 < T ≤ 30 s
35					T ≤ 14 min *)	11 < T ≤ 35 s *)
40					T ≤ 16 min *)	13 < T ≤ 40 s *)
Temperatura otoczenia + 40ºC, przekaźnik obciążony we wszystkich biegunach, wstępnie nienagrzany w próbach prądem o krotności 1,05 i 7,2, a wstępnie nagrzany w próbach prądem 1,2 i 1,5. *) Wartości dotychczas nie znormalizowane, stosowane przez producentów przekaźników.

Przeciążeniowe przekaźniki i wyzwalacze nadprądowe kontrolujące wartość prądu pobieranego przez silnik i czas jego przepływu mają tę wadę, że nie reagują w razie nadmiernego nagrzewania silnika z powodu podwyższonej temperatury otoczenia lub utrudnienia wentylacji. Nie nadają się do silników o przewietrzaniu własnym pracujących przy obniżonej prędkości obrotowej, które mogą wymagać wtedy obniżenia mocy i pobieranego prądu ze względu na mniejszą wydajność wentylatora. Stosuje się przekaźniki o różnej zasadzie działania: termobimetalowe, hydrauliczno-magnetyczne i elektroniczne (mikroprocesorowe), ale identyczne są wymagania co do przebiegu ich charakterystyki czasowo-prądowej (tabl. 5.1, rys. 5.6).

Od przekaźnika przeciążeniowego w obwodzie silnika indukcyjnego wymaga się, aby bez zbędnego wyzwalania przetrzymywał rozruchy bezpośrednie (DOL). Warunek ten jest spełniony, jeżeli klasa wyzwalania przekaźnika (ang. tripping class, TC) jest odpowiednio większa niż wyrażony w sekundach czas rozruchu bezpośredniego (przy krotności prądu rozruchowego 7,2), co ilustrują tabl. 1 oraz rys. 6. Na przykład, jeżeli czas rozruchu bezpośredniego wynosi 3 s, to potrzebny jest przekaźnik o klasie wyzwalania co najmniej 10, który prąd rozruchowy o wspomnianej krotności przetrzymuje co najmniej 4 s. Tylko przekaźniki mikroprocesorowe obejmują pełną gamę dostępnych klas wyzwalania (TC 5÷40).

Z przebiegu charakterystyki t-I wynika, że przekaźnik powinien być nastawiony na największy prąd dopuszczalny przy pracy ciągłej silnika FLC (ang. full load current): I_nast = FLC, bo wtedy zabezpieczenie będzie najbardziej skuteczne. W razie konieczności, dla uniknięcia zbędnych zadziałań przy rozruchach bezpośrednich silnika lub w innych stanach przejściowych, wolno przekaźnik nastawić na prąd większy, ale nieprzekraczający wartości I_nast = 1,1·FCL. Z katalogu należy zatem wybierać przekaźnik, którego zakres nastawczy (I_{nast min}÷I_{nast max}) obejmuje prądy (1,0÷1,1)·FCL. Z powyższego wynika również, że do zabezpieczania silników nadają się tylko przekaźniki bądź wyzwalacze przeciążeniowe nastawialne, tzn. umożliwiające nastawianie na prąd właściwy dla zabezpieczanego silnika, np. wyłączniki silnikowe. Nie nadają się natomiast wyłączniki nadprądowe instalacyjne o nienastawialnych wyzwalaczach przeciążeniowych.




4. Charakterystyki czasowo-prądowe przekaźników przeciążeniowych o klasie wyzwalania od 5 do 40 (obciążenie we wszystkich biegunach, ze stanu nienagrzanego).

Wbudowane w silniku czujniki temperatury śledzące temperaturę najgorętszych miejsc chronią silnik przed przekroczeniem dopuszczalnej temperatury niezależnie od powodu przeciążenia, również w sytuacjach, na które nie reagują przekaźniki nadprądowe. W roli czujników stosuje się miniaturowe pozystory, czyli półprzewodnikowe termistory PTC (ang. positive temperature coefficient) o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji. Wykazują one skokową zmianę rezystancji w temperaturze zbliżonej do znamionowej temperatury zadziałania TNF (rys. 5.7), co odpowiada efektowi przekaźnikowemu (otwarciu zestyku). Odpowiednie domieszkowanie podstawowego składnika, którym jest zwykle tytanian baru BaTiO₃, pozwala uzyskać pozystor o określonej znamionowej temperaturze zadziałania odpowiadającej klasie ciepłoodporności izolacji silnika.




5. Zależność rezystancji R₃ trzech szeregowo połączonych pozystorów od temperatury τ. Znaczniki przedstawiają wymagania normy międzynarodowej IEC 60034-11.

W silniku trójfazowym umieszcza się co najmniej trzy pozystory (rys. 5.8), po jednym przy każdym z uzwojeń fazowych. Dzięki temu działają one skutecznie również przy pracy niepełnofazowej silnika. Czujników jest co najmniej sześć, jeżeli mają działać dwustopniowo - na sygnał i na wyłączenie. Przekaźnik pośredniczący przyjmujący sygnały z czujników musi mieć wtedy odpowiednią liczbę wejść.




6. Przykładowe wymiary czujników pozystorowych firmy ZIEHL: u góry - pojedynczy czujnik, u dołu - zespół trzech czujników.

Jest to zabezpieczenie na prąd ciągły, samotestujący się; przerwanie obwodu czujników nie pozostaje niezauważone, objawia się sygnałem i/lub wyłączeniem, podobnie jak przeciążenie silnika. Niektóre przekaźniki odróżniają te zdarzenie i sygnalizują przerwanie obwodu, jeżeli wzrost rezystancji nastąpił z dużą pochodną dR/dt. Nowsze wykonania mają też układ detekcji zwarcia w obwodzie pomiarowym, w następstwie którego zostaje wyłączony z obwodu co najmniej jeden z czujników. Świadczy o tym obniżenie rezystancji obwodu czujników, zwłaszcza zimnych czujników, poniżej określonej wartości (np. 20 Ω na jeden czujnik). W zwykłej temperaturze otoczenia rezystancji pojedynczego pozystora powinna być mniejsza niż 250 Ω (zwykle wynosi 100÷200 Ω, ale może być mniejsza niż 100 Ω). Te dodatkowe zabezpieczenia na wypadek zawodności czujników są potrzebne przy napędach, od których wymaga się najwyższej dyspozycyjności. Stosowanym obecnie półśrodkiem, zapobiegającym zbędnym wyłączeniom silnika, jest osobne wyprowadzenie przewodów od każdego czujnika i takie programowanie układu, aby wyłączenie następowało w razie przekroczenia określonej wartości rezystancji co najmniej dwóch obwodów czujników.




7. Sposób umieszczania czujnika w połączeniu czołowym uzwojenia: a)rozchylenie przewodów; b) wprowadzenie czujnika z odcinkiem przewodów przyłączeniowych; c) bandażowanie zezwoju.

Wplata się odcinek ok. 40mm przewodów zakończonych czujnikiem (rys. 5.9) w części uzwojenia najsilniej nagrzewającej się (ang. hot-spot, hottest-spot) i w sposób gwarantujący jak najmniejszą rezystancję cieplną między czujnikiem a uzwojeniem (jak najmniejszy skok temperatury między nimi). Miejsce to znajduje się w połączeniach czołowych po stronie bez wentylatora (w silnikach budowy zamkniętej chłodzonych poprzez powierzchnię obudowy, tzn. IC 411, IC 416, jak na rys. 5.10a) albo pośrodku części żłobkowej zezwojów (w silnikach budowy otwartej o wnętrzu przewietrzanym swobodnym obiegiem powietrza, tzn. IC 01, IC 06, jak na rys. 5.10b). Decyduje o tym wytwórnia, która na żądanie dostarcza silniki z pozystorami wmontowanymi w sposób zapewniający jak najmniejszy błąd pomiaru temperatury uzwojenia i nie narażający ani ich przewodów na naprężenia mechaniczne.




8. Poglądowe przedstawianie kierunku przepływu ciepła strat (W) i powietrza chłodzącego (K) oraz położenie najgorętszego miejsca uzwojenia (H) w silniku: a) budowy zamkniętej; b) budowy otwartej.

Jednym parametrem decydującym o doborze czujników jest klasa ciepłoodporności izolacji silnika. Do temperatury granicznej dopuszczalnej długotrwale dla izolacji dobiera się znamionową temperaturę zadziałania TNF czujników, którą rozpoznaje się po barwie izolacji dwóch przewodów przyłączeniowych każdego czujnika.

Sprawą dyskusyjną jest relacja między temperaturą graniczną dopuszczalną długotrwale dla izolacji τ_dd a znamionową temperaturą zadziałania TNF czujników. Na pozór obie wartości powinny być jednakowe i tak byłoby, gdyby nie to, że:

• czujniki rzadko daje się umieścić naprawdę w najgorętszym miejscu silnika, w najlepszym razie są one w miejscu, które w stanie cieplnym ustalonym ma temperaturę o 10÷15 K niższą niż hottest-spot,

• występuje dynamiczny błąd pomiaru temperatury uzwojenia (różnica między temperaturą uzwojenia a temperaturą czujnika) tym większa, im większy jest prąd przeciążeniowy.

Temperaturę zadziałania czujników dobiera się raczej niższą niż temperatura dopuszczalna długotrwale dla izolacji zwłaszcza, jeśli chodzi o pierwszy stopień zabezpieczeń dwustopniowych, tylko sygnalizujący przeciążenie. Wartości przeciętne przestrzegane przez wytwórców silników, w zależności od klasy izolacji i sposobu chłodzenia silnika, są przedstawione w tabl. 5.2.

4. Dobór znamionowej temperatury zadziałania TNF czujników pozystorowych w zależności od sposobu chłodzenia silnika i klasy izolacji

Sposób chłodzenia silmika		TNF [°C] dla silników o klasie izolacji
				B τdd = 130°C	F τdd = 130 °C	H τdd = 130°C
IC 4X poprzez powierzchnię obudowy	Sygnalizacja	120	140	160
		Wyłączanie	140	160	180
	IC 0X przez przewietrzanie swobodne	Sygnalizacja	110	130	150
		Wyłączanie	130	150	170

Największą wadą czujników jest niebezpiecznie duży dynamiczny błąd pomiaru temperatury w razie próby rozruchu bezpośredniego DOL silnika o unieruchomionym wirniku. W przypadku rozruchu sterowanego przez przekształtnik taki stan pracy nie może wystąpić.

Przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe do zabezpieczania silników występują jako osobne aparaty bądź jako wbudowane wyposażenie przekształtników przeznaczonych do współpracy z pojedynczym silnikiem. Sygnałami wejściowymi są prądy w trzech fazach i Ew. trzy napięcia międzyfazowe. Sygnały prądowe, pochodzące z konwencjonalnych przekładników prądowych lub - dzięki małej mocy pobieranej - z cewek Rogowskiego, są przetwarzane na proporcjonalne sygnały napięciowe. Napięcia te są prostowane, przetwarzane na sygnały cyfrowe i wprowadzane do mikroprocesora. Mikroprocesor przetwarza w czasie rzeczywistym informacje wejściowe o wartościach wszelkich wielkości kryterialnych i sprawdza czy nie są przekroczone warunki progowe uzasadniające sygnalizację stanu zakłóceniowego zakłóceniowego/lub wyłączenie silnika. Te warunki progowe użytkownik może zaprogramować z dużą swobodą.

Użytkownik może przede wszystkim wybrać i nastawić dowolną klasę wyzwalania TC (co % s, a nawet co 2 s), czyli dopasować przebieg charakterystyki t-I przekaźnika (rys. 5.6) do warunków rozruchu silnika. Zarazem przekaźnik może mieć człon przeciążeniowy, kontrolujący skutek cieplny prądu rozruchowego, zabezpieczający przed przegrzaniem silnika w razie nadmiernie przedłużającego się rozruchu (ponad dopuszczalny czas rozruchu t_E). Człon przeciążeniowy zabezpieczający przed przeciążeniem podczas pracy silnika może zawierać w różnej postaci pamięć cieplną skracającą czas wyzwalania, jeśli przed wystąpieniem aktualnego przeciążenia silnik był dłuższy czas w pełni obciążony albo, jeśli nie zdążył wystarczająco ostygnąć po poprzednim przeciążeniu. Na przykład włączenie pamięci cieplnej, skracającej czas wyzwalania, następuje, kiedy prąd w obwodzie przekracza wartość 0,95 I_nast, a jej samoczynne skasowanie następuje, jeżeli płynący prąd będzie miał wartość mniejszą niż 0,85 I_nast przez czas co najmniej 216 t_e.

Przekaźnik mikroprocesorowy może obejmować człon temperaturowy pobierający sygnał z wbudowanych w silniku czujników temperatury. Staje się wtedy zespolonym przekaźnikiem nadprądowo-temperaturowym, który łączy zalety obu rozwiązań i kompensuje ich wady stanowiąc najdoskonalsze zabezpieczenie przeciążeniowe silnika.

Obróbka sygnałów prądowych z trzech faz obwodu głównego pozwala wykrywać nie tylko przeciążenia i zwarcia międzyfazowe. Człon niesymetrii prądowej wykrywa znaczne różnice wartości prądu w trzech fazach, świadczące o uszkodzeniu silnika. Człon kontroli pracy niepełnofazowej wykrywa bezzwłocznie zanik prądu w jednej z faz. Człon niedomiarowo-prądowy interweniuje przy zbyt małym prądzie obciążenia silnika, co bywa potrzebne ze względu na bezpieczeństwo procesu technologicznego lub jałowo pracującej maszyny napędzanej. Człon różnicowoprądowy wykrywa zwarcia doziemne w obwodzie silnika sumując trzy prądy fazowe albo pobierając sygnał z osobnego przekładnika Ferrantiego.

Przekaźnik mikroprocesorowy pobierający sygnały napięciowe z trzech faz pozwala wprowadzić kolejne człony zabezpieczające: człon podnapięciowy (np. U < 0.8∙U_n) człon zanikowy (U < 0.2∙U_n w czasie przekraczającym 0,2 s), człon kontroli niewłaściwej kolejności faz, człon niesymetrii napięciowej.

Możliwe funkcje zabezpieczeniowe, jakie oferują przekaźniki mikroprocesorowe SA nieporównywalnie szersze niż możliwości tradycyjnych przekaźników cieplnych bądź elektromagnetycznych. Te funkcje użytkownik może łatwo programować, dobierać właściwe charakterystyki, a w razie potrzeby zmieniać je. Nastawy są jednoznaczne, łatwe do kontrolowania, i nie podlegają procesom starzeniowym. Systemy autotestu w sposób ciągły sprawdzają stan poszczególnych członów zabezpieczeniowych sygnalizują ewentualne usterki, co znakomicie zwiększa niezawodność zabezpieczenia. Charakterystyki przekaźników są niewrażliwe na zmiany temperatury otoczenia w zakresie co najmniej od -20°C do +45°C.

Na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym można odczytać bieżącą wartość pobieranego prądu i aktualny stan cieplny silnika. Można też sprawdzać zapisy rejestratora zdarzeń Nowsze przekaźniki są wyposażone w łącze komunikacyjne RS-232 lub RS-485 wiążące je ze sterownikami przemysłowymi.

16. Zabezpieczenie podnapięciowe (zabezpieczenie przed głębokim zapadem napięcia lub zanikiem napięcia i jego powrotem)

Gdyby obwody silnikowe nie miały zabezpieczeń podnapięciowych, to po zaniku napięcia pozostawałby nadal przyłączone do instalacji, do czasu zamierzonego wyłączenia ich przez obsługę. Powrót napięcia po krótszym czasie niż czas wybiegu silników powodowałby ich samorozruch, na ogół pożądany, ale związany z poborem zwiększonego prądu, co może być niedopuszczalne, gdyby miało dotyczyć większej liczby silników dużej mocy. Powrót napięcia po czasie dłuższym niż czas wybiegu silników, powodowałby ich samoczynny ponowny rozruch. Po bliżej nieokreślonym czasie, od chwili zaniku napięcia, następowałoby samoczynne uruchomienie nieczynnych silników, co na ogół jest niedopuszczalne ze względu na bezpieczeństwo ludzi, wielu napędów i procesów technologicznych. Zabezpieczają temu zabezpieczenia podnapięciowe.




9. Uśredniona charakterystyka odporności napięciowej (dolna granica) układów napędowych o regulowanej prędkości obrotowej [5]

Są układy napędowe, których utrzymanie w ruchu ma pierwszorzędne znaczenie i które powinny odbywać samorozruch bądź samoczynny ponowny rozruch, jeżeli czas przerwy w zasilaniu bądź czas trwania zapadu napięcia [5, 7] nie przekracza określonej wartości (rys. 5.11). W klasycznych układach zasilania silników umożliwiają to styczniki o zwłocznym odpadaniu albo podobnie działające wyzwalacze podnapięciowe wyłączników, a w przypadku silników zasilanych z przekształtników - odpowiednie oprogramowanie z wykorzystaniem funkcji nazywanej żargonowo czasem restartu. Jeżeli zdarzy się krótka przerwa w zasilaniu, to po powrocie napięcia, bez udziału obsługi, nastąpi samorozruch bądź samoczynny ponowny rozruch silnika.

17. Zabezpieczenie przed niesymetrią napięciową i prądowa

Niesymetria napięcia układu wielofazowego jest stanem, w którym nie są jednakowe wartości skuteczne poszczególnych napiec fazowych i/lub ich przesunięcia fazowe. Jeżeli taki stan pracy analizuje się przy użyciu metody składowych symetrycznych, objawia się on wystąpieniem składowej przeciwnej napięcia i prądu. Impedancja wirującego trójfazowego silnika indukcyjnego dla składowej przeciwnej jest kilka do kilkunastu razy mniejsza niż dla składowej zgodnej, wobec czego już niewielka zawartość składowej przeciwnej w napięciu wywołuje znaczną składową przeciwną w prądzie stojana, która w dodatku indukuje w wirniku znaczne prądy o częstotliwości w przybliżeniu podwójnej. W rezultacie niesymetria prądu pobieranego przez silnik jest większa niż niesymetria napięcia zasilającego i objawia się wzmożonym nagrzewaniem.

Człon zabezpieczeniowy o charakterystyce zależnej kontroluje składową przeciwna prądu pobieranego przez silnik. Prąd rozruchowy takiego zabezpieczenia powinien być jak najmniejszy., (0,15÷0,30)∙I_nM , ale wystarczająco duży, aby zapobiec zbędnym zadziałaniom z powodu konstrukcyjnej niesymetrii elektromagnetycznej silnika, powodującej niesymetrię prądową nawet (0.05÷0.15)∙I_nM w przypadku silników o rozruchu bezpośrednim trzeba odstroić się ponadto niesymetrii prądowej podczas rozruchu wskutek występowania zanikającej składowej nieokresowej prądu, o różnej wartości w poszczególnych fazach.

Skrajnym przypadkiem niesymetrii jest przerwanie jednego z torów prądowych i niepełnofazowa praca silników. Zabezpieczenia regulujące na niesymetrię prądów są w takiej sytuacji bardziej skuteczne niż zabezpieczenia przeciążeniowe.

18. Zabezpieczenie przed niewłaściwą kolejnością faz

Zabezpieczenie zapobiega uruchomieniu silnika trójfazowego przy przeciwnym do zamierzonego kierunkiem obrotów, jeśli może to spowodować sytuację zagrożenia lub uszkodzenie napędzanej maszyny. Zabezpieczenie jest potrzebne zwłaszcza przy urządzeniach ruchomych zasilanych za pośrednictwem przewodów ruchomych i łączników wtyczkowych. Jest też wskazane przy silnikach zainstalowanych na stałe, jeśli zachodzi możliwość przełączania źródła zasilania. Przekształtniki mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.

19. Zabezpieczenie nadprądowe niedomiarowe

Zabezpieczenie ( o charakterystyce niezależnej zależnej od czasu) jest pobudzane, jeśli prąd obciążenia silnika zmniejszy się poniżej nastawionej wartości, co nie zagraża silnikowi, lecz może świadczyć o uszkodzeniu napędu (zerwanie sprzęgła lub przekładni) albo groźnym zakłóceniu procesu technologicznego. Przekształtniki mają z reguły wbudowana tę funkcję zabezpieczeniową.

20. Inne zabezpieczenia

Przy pośrednim zasilaniu silników z sieci inne zabezpieczenia stosuje się tylko w razie szczególnej potrzeby, bo wymagają instalowania dodatkowych aparatów. Przy zasilaniu z przekształtnika, którego układ sterowania otrzymuje sygnały analogowe o wszelkich wartościach elektrycznych (prąd w każdej fazie, wszystkie napięcia międzyprzewodowe) i nieelektrycznych (temperatura uzwojeń silnika, prędkość kątowa bądź obrotowa i ew. moment obrotowy), przetworzone następnie na sygnały cyfrowe, które mogą być dowolnie przetwarzane, wchodzi w rachubę programowanie różnych dodatkowych funkcji zabezpieczeniowych, o charakterystykach dość swobodnie kształtowanych.

1. Warunki pracy silników zasilanych
   z pośrednich przemienników częstotliwości.

Niskonapięciowe pośrednie przemienniki częstotliwości należą obecnie do najbardziej rozpowszechnionych przekształtników do zastosowań nie tylko przemysłowych. Służą do zasilania odbiorników napięciem przemiennym o regulowanej amplitudzie i częstotliwości, z dokładnością (ang. frequency resolution) ok. 0,01 Hz, zwłaszcza do regulacji prędkości obrotowej silników. Jeśli regulacja odbywa się tylko w dół, z obniżaniem częstotliwości poniżej częstotliwości sieci, to mogą być używane, zwłaszcza przy mniejszych mocach układów napędowych, silniki standardowe ze stosowną korektą danych znamionowych (tabl. 5.3).

5. Porównanie danych znamionowych tego samego silnika (SCHORCH KDI 315M-BA41N-Z) przy zasilaniu sieciowym i zasilaniu z przemiennika częstotliwości

	Mains-operated	Converter-operated
Napięcie zasilające	400 V	40÷400 V
Częstotliwość napięcia zasilającego silnik	50 Hz	5÷50 Hz
Moc silnika osiągalna	132 kW	10÷110 kW
Prąd dop. Długotrwale (ang. full load current)	240 A	205 A
Prędkość obrotowa	1485 min^-1	150÷1500 min^-1
Moment napędowy osiągalny	850 Nm	635÷700 Nm

Poprawne dobranie i skoordynowanie wszelkich środków ochronnych (od porażeń, od przepięć. Od zakłóceń elektromagnetycznych) i zabezpieczających (przed przeciążeniami, skutkami zwarć itd.) przekształtnika oraz silnika to wiedza podobna do biegłości kulinarnej: znane są receptury, przepisy i zasady, ale tak naprawdę rezultat zależy od wprawy projektanta i instalatora, od wyczucia w dozowaniu składników i przypraw.

Producent odpowiada za poprawność ochron i zabezpieczeń wewnętrznych, wbudowanych w przekształtniku [10, 12, 16], oraz za wszelkie wytyczne instalowania i eksploatacji, również za podawane wskazówki doboru ochron i zabezpieczeń zewnętrznych. Przekształtnik na ogół ma wbudowane zabezpieczenia obwodu wyjściowego przynajmniej przed skutkami zwarć międzyfazowych i doziemnych, ale nie wszyscy wytwórcy podają w DTR szczegóły dotyczące ich wykonania, nastawiania i sprawdzania, ograniczając się do niewiele mówiącego wykazu stosowanych zabezpieczeń. Co gorsza, nawet od działających na polskim rynku firm oświatowej renomie, użytkownik nieraz otrzymuje bełkotliwe tłumaczenie dokumentacji, urągające elementarnym regułom polszczyzny i zasadom polskiej terminologii technicznej.

Są dostępne niskonapięciowe (U_n ≤ 1000 V) przemienniki częstotliwości o mocy 0,25÷800 kW, przy czym wymagania bezpieczeństwa są ostrzejsze w odniesieniu do przekształtników małej mocy (umownie P_n ≤ 4 kW i/lub I_n ≤ 16 A), bo mogą one trafić w ręce osób niewykwalifikowanych. Poza innymi postanowieniami (co do wartości prądów upływowych, prądów załączeniowych) wymaga się, aby te ostatnie były przystosowane do zasilania przez wyłącznik różnicowoprądowy (o wyzwalaniu typu B).

Przekształtniki większej mocy są użytkowane przez personel wykwalifikowany i osoby dozoru odpowiadają za wdrożenie zasad bezpiecznej eksploatacji dostosowanych do konkretnych warunków użytkowania.

Przy doborze rozwiązań ochron i zabezpieczeń trzeba od początku mieć na względzie, czy chodzi o przemiennik częstotliwości indywidualny, zasilający pojedynczy silnik, czy grupowy - zasilający grupę silników.

Podstawowe bloki funkcjonalne nowoczesnego pośredniego przemiennika częstotliwości to diodowy (rzadziej tyrystorowy) mostek prostowniczy, obwód pośredniczący prądu stałego oraz falownik napięcia o zaworach w pełni sterowalnych, umożliwiających regulację zarówno wartości, jak i częstotliwości napięcia wyjściowego. Nadają się do tego celu tyrystory GTO (ang. gate turn-off thyristor) oraz - od wielu lat coraz powszechniej stosowane - bipolarne tranzystory mocy IGBT o izolowanej bramce (ang. insulated gate bipolar transistor).

Napięcie wyjściowe falownika jest kształtowane z napięcia stałego w obwodzie pośredniczącym poprzez modulację szerokości impulsów MSI (ang. pulse width modulation, PWM) z częstotliwością przetwarzania z zakresu 0,5÷16 kHz, dobierania w zależności od zastosowania. W pierwszym przybliżeniu przyjmuje się, że bieżąca wartość średnia prądu wyjściowego ma przebieg zbliżony do sinusoidalnego (rys. 5.12), dzięki dużej indukcyjności obwodu silnikowego, ale w rzeczywistości przebieg prądu jest odkształcony i to - bez filtru wyjściowego - w stopniu większym niż sugeruje rys. 5.13.




10. Przebieg przełączanego napięcia (u) oraz wyidealizowany przebieg prądu fazowego (i) na wyjściu falownika przy modulacji szerokości impulsów

Oba przedstawione przebiegi, napięcia i prądu, wskazują, że należy się liczyć z kłopotliwymi problemami w obwodzie wyjściowym przemiennika, zwłaszcza w odniesieniu do samego silnika. W porównaniu z zasilaniem bezpośrednio z sieci, podlega on dodatkowym narażeniom, które komplikują należyte rozwiązanie jego układu zabezpieczeń.




11. Zbliżony do rzeczywistego przebieg prądu fazowego (i) na wyjściu falownika przy modulacji szerokości impulsów (pominięte harmoniczne wyższych rzędów

Z powodu odkształcenia prądu występują w silniku straty dodatkowe (mocy czynnej)w uzwojeniach stojana i wirnika, a także straty dodatkowe w niektórych częściach magnetowodu (w zębach i przyległych częściach) wywołane wyższymi harmonicznymi strumieni rozproszenia [1, 8, 17]. Są one większe w silnikach głębokożłobkowych i dwuklatkowych, w których już przy 50 Hz występuje wyraźne wypieranie prądu w uzwojeniu wirnika. Z drugiej strony zwiększona reaktancja rozproszenia, związana z geometrią żłobków, oddziałuje łagodząco, ogranicza harmoniczne prądów, które są źródłem strat dodatkowych.

Trudniejsze jest rozpoznanie narażeń wynikających z impulsowego przebiegu napięcia. Przy zasilaniu silników z falowników napięcia powstają znaczne straty dodatkowe w magnetowodzie, na drodze strumienia głównego, zależne od widma harmonicznych napięć fazowych. Łącznie ze wspomnianymi wyżej stratami dodatkowymi z tytułu odkształcenia prądów fazowych silnika oznacza to (przy niezmienionych innych warunkach) zwiększony strumień cieplny wydzielany we wnętrzu silnika. Tylko eksperymentalnie można wystarczająco dokładnie określić, czy i w jakim stopniu należy z tych powodów obniżyć parametry standardowego silnika użytego do zasilania z falownika. Informacje na ten temat powinien podawać producent silników (tabl. 3). Zwłaszcza w przypadku silników w wykonaniu przeciwwybuchowym, które też bywają zasilane z przekształtników, kontrolować trzeba dotrzymanie dopuszczalnych przyrostów temperatury silnika [8].

12. Uproszczony schemat układu zasilania silnika poprzez pośredni przemiennik częstotliwości Od lewej: zasilanie z instalacji TN; bezpieczniki główne obwodu; rozłącznik; filtr sieciowy (filtr przeciwzakłóceniowy z dławikami Ls spełniającymi również rolę dławików komutacyjnych); prostownik diodowy trójfazowy; obwód pośredniczący prądu stałego (filtr złożony z dławika Lp i baterii kondensatorów Cp, bezpiecznik Bp, zwiernik sterowany przetwornikiem prądu PP); falownik na tranzystorach IGTB z szybkimi diodami zwrotnymi; obwód wyjściowy silnika (przetworniki prądu, ekranowany przewód zasilający, silnik)




Z kolei dla izolacji głównej silnika, zwłaszcza dla izolacji żłobkowej zezwojów, groźne są narażenia napięciowe: wartość szczytowa impulsów napięciowych (U_peak) oraz stromości ich narastania (du/dt) podczas przełączania zaworów. Pamiętać trzeba, że te narażenia następują z częstotliwością przetwarzania napięcia w falowniku, tysiące razy w ciągu sekundy. Przyjmuje się [17], że narażenia te nie obniżają znacząco trwałości izolacji silnika o napięciu znamionowym 400V, jeśli są spełnione warunki: U_peak < 1000V; du/dt < 500 V/μs. Tymczasem stromość narastania napięcia na wyjściu falownika może osiągać 2000÷3000 V/μs. Przed dojściem do zacisków silnika może ją wyraźnie zmniejszyć pojemność przewodu łączącego silnik z przekształtnikiem, zwłaszcza przewodu ekranowanego. Im dłuższy przewód, tym mniejsza stromość napięcia du/dt na zaciskach silnika, ale wskutek przebiegów falowych zbyt długi przewód może niebezpiecznie podwyższyć amplitudę napięcia na zaciskach silnika. Skutecznym, ale kosztownym sposobem ograniczenia narażeń napięciowych izolacji silnika ( kilkakrotne obniżenie stromości du/dt ) i zmniejszenia prądu upływowego w obwodzie wyjściowym jest zastosowanie filtru wyjściowego za falownikiem (filtru sinusoidalnego).

Rozważając specyficzne warunki pracy silników zasilanych z falowników nie sposób pominąć pytania, jak ich obciążalność zależy od prędkości obrotowej. Problem nie jest nowy, występował od dawna, również przy regulacji prędkości obrotowej klasycznymi metodami. Dotyka najbardziej silników o chłodzeniu własnym, o swobodnym otwartym obiegu powietrza, wymuszonym wentylatorem na wole silnika. Przy pewnych założeniach upraszczających moc, jaką można taki silnik obciążyć oceniano [6] jako proporcjonalną do prędkości obrotowej w potędze 1,5 (P ∝ n^1,5), tzn.: 72% przy 0,80⋅n_n, 46% przy 0,60⋅n_n, 25% przy 0,40⋅n_n. Są to warunki zbyt ostre, pomijając m.in. fakt, iż obniżaniu prędkości obrotowej towarzyszy zwykle obniżanie napięcia (zasada U/f=const) dla zachowania stałej wartości strumienia magnetycznego. To, czy ochłodzenie własne silnika wystarczy i do jakiego poziomu obniżonej prędkości obrotowej, zależy w dużym stopniu od przebiegu charakterystyki momentu oporowego T_o w funkcji prędkości obrotowej n. Dla napędów o charakterystyce wentylatorowej (T_o ∝ n²) wystarcza nawet przy znacznym obniżeniu prędkości, przy innych przebiegach T_o(n), zwłaszcza przy charakterystyce dźwigowej (T_o ∝ n⁰), już niewielkie obniżenie częstotliwości napięcia zasilającego i prędkości obrotowej silnika wymaga zredukowania momentu i/lub dodatkowej wentylacji obcej. Użytkownik napędu nie jest w stanie dokładnie tych zależności określić, powinien ją podawać producent silników bądź producent przekształtników. Ten ostatni musi zresztą założyć określoną zależność T_o(n), P(n) , I(n) opracowując algorytmy działania mikroprocesorowych zabezpieczeń przeciążeniowych silnika, stanowiąc integralne wyposażenie przekształtnika.

1. Problemy zasilania i zabezpieczeń pośrednich przemienników częstotliwości

Pośredni przemiennik częstotliwości, jak każdy przekształtnik, jest odbiornikiem nieliniowym, pobierającym prąd odkształcony i wywołującym komutacyjne załamania napięcia. Jeśli nie stosuje się środków zapobiegawczych, odznacza się on też dużym prądem załączeniowym związanym z ładowaniem baterii kondensatorów w obwodzie pośredniczącym. Dobór elementów obwodu zasilania przemiennika (rys. 5.14) powinien uwzględniać te okoliczności, poczynając od konstatacji elementarnej - całe wyposażenie obwodu zasilającego przekształtnik musi być dobrane do prądu obciążenia pobieranego przez przekształtnik, a nie do prądu przez silnik bądź grupę silników zasilanych z przekształtnika grupowego. Nie należy zatem kierować się tzw. „Rampami prądowymi” podawanymi dla obwodu wyjściowego falownika. Ważny jest prąd znamionowy przekształtnika w określonych warunkach użytkownika, a nie prąd znamionowy silnika.

Zabezpieczeniem zwarciowym na początku obwodu zasilającego są zwykle bezpieczniki (ew. rozłącznik bezpiecznikowy albo rozłącznik z bezpiecznikami), przy czym producent przekształtnika określa właściwa klasę bezpieczników i ich prąd znamionowy (I_n < ... A). Jeśli w bloku wejściowym przemiennika nie ma indywidualnych bezpieczników przy zaworach mostka prostowniczego, a taka jest obecna praktyka, to w obwodzie zasilającym instaluje się bezpieczniki o charakterystyce bardzo szybkiej aR lub gR (wytwórcy północnoamerykańscy zalecają bezpieczniki CC, rzadziej J lub K). Przy silnym odkształceniu prądu wkładkom o dużym prądzie znamionowym (> 250 A) trzeba przypisać zredukowany prąd znamionowy. Jeżeli w obwodzie instaluje się wkładki o niepełnym zakresie zdolności wyłączania (aR, aM), to potrzebny jest wyłącznik lub rozłącznik samoczynny wyłączający prądy mniejsze niż najmniejszy prąd wkładki „a”. Nie jest potrzebny prąd znamionowy wkładek bezpiecznikowych znacznie przekraczający prąd pobierany w warunkach znamionowych, jak w przypadku silników o rozruchu bezpośrednim, bo nowsze przemienniki maja układ ograniczania prądu załączeniowego samego przemiennika (prąd ładowania baterii kondensatorów C_p), a prąd rozruchowy silnika zawsze ograniczono do poziomu jego prądu znamionowego lub niewielkiej krotności prądu znamionowego (np. 1,5ּI_n).

Jeżeli w obwodzie zasilającym instaluje się stycznik lub inny rozłącznik, to jego prąd znamionowy ciągły powinien być dobierany do prądu znamionowego kompletnie wyposażonego przemiennika częstotliwości (z filtrami i obwodem wejściowym), a zdolność załączania - do prądu załączeniowego przemiennika. Do rozważenia pozostaje sprawa koordynacji stycznika lub innego rozłącznika z zabezpieczeniem zwarciowym, tzn. sprawdzenie, czy zastosowany rozłącznik i ew. przekaźnik przeciążeniowy nadprądowy są należycie dobezpieczone na wypadek zwarcia w obwodzie. Jeżeli na początku obwodu są bezpieczniki aR lub gR o silnym efekcie ograniczającym, to nietrudno zapewnić nawet koordynację typu 2, bo - jak wyżej wspomniano - bezpieczniki nie są przewymiarowane, a ponadto raczej nie spotyka się w obwodzie zasilającym przemiennik pierwotnych przekaźników termobimetalowych.

Standardowym wyposażeniem obwodu wejściowego jest przeciwzakłóceniowy filtr sieciowy, dobierany przez producenta i stanowiący integralne wyposażenie przekształtnika (rys. 5.14). Ogranicza on zaburzenia przewodzone w kierunku sieci zasilającej ( w zakresie częstotliwości ok. 150 kHz), a ponadto spełnia kilka innych funkcji.

Filtr zawiera szeregowe dławiki sieciowe L_s zmniejszające współczynnik szczytu prądu (ang. Crest factor) i w ogóle zmniejszające nieco odkształcenie prądu THD pobieranego z sieci oraz ograniczające komutacyjne piki prądu i komutacyjne załamania napięcia. Poprawia to jakość napięcia w punkcie przyłączenia do wspólnej sieci (ang. Point of common coupling, PCC) I ułatwia dobór zaworów prostownika oraz dobór aparatury w obwodzie zasilania przekształtnika. Wszelkie przyrządy półprzewodnikowe mocy (diody lub tyrystory prostownika, tyrystory lub tranzystory falownika) mają określony prąd powtarzalny szczytowy przewodzenia, którego przekroczyć nie wolno. Trzeba je zatem dobierać do wartości szczytowej prądu, a nie do wartości skutecznej, jak większość innych elementów instalacji. Zmniejszenie współczynnika szczytu prądu oznacza zatem złagodzenie jednego z najważniejszych warunków doboru zaworów. Skutkiem ubocznym obecności dławików sieciowych jest ich łagodzący wpływ na przebiegi i wartości prądów doziemnych w samym przekształtniku i w obwodzie wyjściowym. Dławiki sieciowe na ogół tak się dobiera, że przy obciążeniu znamionowym występuje na nich spadek napięcia ok . 4%.

Filtr sieciowy zawiera równoległe kondensatory C_s bocznikujące prądy zakłóceniowe tym skuteczniej, im wyższa jest ich częstotliwość, ale - niestety - wprowadzające również duży prąd upływowy o częstotliwości 50 Hz. Całkowity prąd upływowy odprowadzany przez filtr sieciowy do przewodu ochronnego, o widmie zawierającym liczne harmoniczne, jest jedną ze składowych prądu w przewodzie ochronnym; pozostałe składowe pochodzą z obwodu wyjściowego przemiennika, a w niewielkim także z jego wewnętrznych pojemności pasożytniczych. W niektórych pośrednich przemiennikach częstotliwości dużej mocy prąd upływowy samego przeciwzakłóceniowego filtru sieciowego przekracza 200mA. Jeśli do tego dodać prądy upływowe z innych źródeł, stają się oczywiste dylematy związane z ochroną przeciwporażeniową. W roku 2001 w niemieckiej prasie technicznej próbowano tworzyć ranking producentów pośrednich przemienników częstotliwości według rosnącej wartości prądu upływowego.




13. Przykładowe widmo harmonicznych prądu pobieranego z sieci bez dławika Lp (ciemne słupki) i z dławikiem Lp (jasne słupki)

Kolejną częścią składową (rys. 14) jest prostownik, mostek jedno- (małej mocy) lub trójfazowy, diodowy lub tyrystorowy. Nie przedstawia szczególnych problemów konstrukcyjnych ani zabezpieczeniowych w porównaniu z prostownikami powszechnie spotykanych zasilaczy impulsowych. Zawory powinny mieć prąd graniczny I_FAVM dobrany do prądu załączeniowego przemiennika, o wartości zależnej od pojemności baterii kondensatorów C_p oraz indukcyjności dławika L_p obwodu pośredniczącego. Użycie w prostowniku tyrystorów o sterowanym współczynniku przewodzenia albo wprowadzenie tranzystora IGBT jako przerywacza w obwodzie w obwodzie pośredniczącym pozwala dowolnie zmniejszyć prąd załączeniowy, podobnie jak w układach łagodnego rozruchu silników (ang. Softstart). Stosowane w starszych konstrukcjach bezpieczniki indywidualne równoległych gałęzi zaworów powinny przetrzymywać składową prądu załączeniowego płynącą w gałęzi. Z upływem lat niezawodność zaworów znacznie wzrosła, a bezpieczniki bardzo szybkie do zabezpieczania zaworów półprzewodnikowych pozostały bardzo drogie, wobec czego coraz powszechniej poprzestaje się na jednym komplecie takich bezpieczników w obwodzie zasilania przemiennika.

Obwód pośredniczący prądu stałego (rys. 5.14) zawiera przede wszystkim baterię kondensatorów C_p o dużej pojemności. Dzięki temu z punktu widzenia zasilania falownika napięcia prostownik objawia się jak źródło napięcia o bardzo małej impedancji wewnętrznej. Obniża się tętnienie prądu stałego pobieranego z obwody pośredniczącego i odkształcenie prądu wyjściowego falownika. Zmniejsza to dodatkowe straty mocy i wpływa korzystnie na trwałość najważniejszych elementów układu: silnika, przemiennika i samego kondensatora (baterii kondensatorów). Dławik L_p w obwodzie pośredniczącym zmniejsza prąd załączeniowy przemiennika ograniczając narażenia prądowe zaworów prostownika, wygładza prąd w obwodzie pośredniczącym i poważnie zmniejsza odkształcenie prądu pobieranego z sieci (rys. 5.15).




14. Drogi przepływu prądu zwarciowego w razie zwarcia gałęzi falownika

Zwarcia międzyfazowe i doziemne w obwodzie wyjściowym falownika zagrażają przede wszystkim tranzystorom IGBT. elementom o tak dużej wrażliwości na przetężenia, że nie są w stanie ich uchronić przed zniszczeniem bezpieczniki o charakterystyce bardzo szybkiej (aR, gR). Ta szcze­gólna wrażliwość tranzystorów IGBT wynika z ich budowy, mianowicie tranzystorem o większym prądzie wyjściowym Ic jest moduł o strukturze monolitycznej, złożony z wielkiej liczby równolegle połączonych pojedynczych elementów, z których każdy zawiera strukturę wejściową MOS (bramkę) i strukturę wyjściową bipolarną przewodzącą prąd obciążenia stanie włączenia, a także równolegle włączoną szybką diodę zwrotną (ang. soft-switching-off diode). Na przykład moduł 2400 A zawiera aż 70 tranzystorów, ale ma cieplną stałą czasową w przybliżeniu taką, jak pojedynczy jego element skła­dowy.

Właściwym zabezpieczeniem tranzystorów IGBT są ultraszybkie układy elektroniczne odwraca­jące polaryzację napięcia sterującego U_GE pojedynczych tranzystorów (blokada bramkowa). Sygnał bramkowy o przeciwnej polaryzacji wyłącza tranzystor w czasie 2÷5 mikrosekund. Gdyby to zabez­pieczenie zawiodło i doszło do uszkodzenia obu tranzystorów jednej gałęzi mostka albo gdyby zo­stały one jednocześnie załączone w następstwie uszkodzenia układu sterowania, to powstałe zwarcie byłoby zasilane (rys. 5.16) z kondensatora obwodu pośredniczącego i z instalacji obiektu. W pierwszych milisekundach zwarcia, rozstrzygających o jego skutkach, udział instalacji zewnętrznej w skutku cieplnym I²t prądu zwarciowego byłby pomijalnie mały. Decydujące znaczenie ma energia zakumulo­wana w kondensatorze obwodu pośredniczącego, który rozładowuje się w obwodzie o bardzo małej rezystancji i bardzo małej indukcyjności, bo ze względu na dużą częstotliwość przełączania zaworów wszelkie połączenia wewnętrzne falownika muszą być jak najkrótsze, by ograniczyć indukcyjne spadki napięcia
objawiającymi się jako przepięcia. W sytuacji, jak na rys. 5.16, bez dodatkowych zabezpieczeń, doszłoby przypuszczalnie do rozerwania obudów modułów tranzystorów i eksplozji kon­densatora, a w następstwie - do zwarć łukowych zagrażających uszkodzeniem innych bloków prze­miennika. Jako zabezpieczenie stosuje się powszechnie (rys. 5.14) zwiernik zwierający obwód prądu stałego w razie zwarcia w falowniku, które wykrywa przetwornik prądu w obwodzie pośredniczącym. Zwiernikiem jest zwykle tyrystor, a jego parametry nie są wygórowane, bo startuje on ze stanu zimne­go, w żadnej innej sytuacji nie przewodzi prądu. Ostatnio niektóre firmy. np. SIBA [9], zalecają bez­piecznik bardzo szybki w obwodzie pośredniczącym (rys. 5.14). Jego rolą nie jest zabezpieczenie tran­zystorów przed skutkami zwarcia, bo to niewykonalne, lecz niedopuszczenie do rozerwania obudów modułów tranzystorowych i baterii kondensatorów C_p.

Nie stosuje się żadnych wyłączników zabezpieczeniowych między przemiennikiem częstotliwości a silnikiem, bo nie jest to konieczne, a ponadto w wyniku odkształcenia prądu mogłyby występo­wać zadziałania zbędne albo brakujące. Punktu gwiazdowego uzwojeń silnika nie należy uziemiać.

Przekształtnik zasilam napięciem l,05U_n powinien wytrzymywać skutki zwarcia na zaciskach wyjściowych do chwili zadziałania zabezpieczenia zastosowanego (ew. zalecanego) przez producenta. W Komitecie Technicznym IEC TC22 od kilku lat dyskutuje się procedury badań zwarciowych prze­kształtnikowych układów napędowych i jednolite kryteria ich oceny. Po wystąpieniu zwarcia doziem­nego falownik wyłącza się w czasie nie przekraczającym ok. 100 ms, zależnym od impedancji przej­ścia i częstotliwości napięcia wyjściowego. Przemiennik na ogół ma też elektroniczny układ ograni­czenia prądu wyjściowego z możliwością nastawienia progu prądowego na poziomie przykładowo (l,25÷2,0)I_n. Ograniczenie następuje na określony czas, np. 0.5 s, a jeśli zakłócenie trwa dłużej, to obwód wyjściowy zostaje pozbawiony napięcia przez zablokowanie zaworów. Ponownego rozruchu musi dokonać operator wyłączając przemiennik spod napięcia i ponownie go załączając.

1. Problemy kompatybilności elektromagnetycznej obwodu wyjściowego

Była wyżej mowa o możliwościach ograniczania odkształcenia prądu pobieranego z sieci, o emisji do niej zaburzeń przewodzonych wysokiej częstotliwości, o ograniczaniu załamań napięcia i o koordynacji niektórych elementów składowych pośredniego przemiennika częstotliwości. Innym kłopotliwym problemem jest przewód łączący przemiennik z silnikiem, przewodzący prąd odkształcony i przenoszący impulsowe napięcie o dużej stromości i amplitudzie. Problemu nie ma w przypadku konstrukcji zespolonej, kiedy przemiennik stanowi konstrukcyjną całość z silnikiem o niedużej mocy. Problem jest błahy, kiedy przemiennik jest zainstalowany tuż przy silniku, w odległości nie przekra­czającej kilku metrów, co zresztą zaleca się, ilekroć warunki środowiskowe w miejscu instalacji silnika na to pozwalają.

Wchodzi w rachubę użycie przewodów nieekranowanych bądź przewodów ekranowanych pro­dukowanych specjalnie do takich zastosowań. Przewody ekranowane są zalecane w dwóch sytuacjach:

•jeśli przestrzeń, w której mają być układane przewody nie jest znacząco skażona elektromagne­tycznie i - ze względu na obecność szczególnie wrażliwych obiektów - powinna taką pozostać,

•jeśli w tej przestrzeni występuje silny smog elektromagnetyczny, który mógłby szkodliwie oddzia­ływać na nowo projektowany obwód wyjściowy falownika.

Przewody ekranowane mają znacznie większe pojemności doziemne (żyła-ekran) niż przewody nieekranowane, zwłaszcza jeśli te ostatnie nie są układane w metalowych rurach lub konikach bądź na podłożu metalowym. Te zwiększone pojemności trzeba oceniać ambiwalentnie:

• Jest to okoliczność korzystna, bo ekranowanie przewodów zmniejsza stromość narastania impulsów napięcia dochodzącego do zacisków silnika. Przypadek ten nawiązuje do klasycznego zastosowania kondensatorów w ochronie przeciwprzepięciowej z tym, że tutaj są to pojemności rozłożone, a nie skupione.

• Jest to okoliczność niekorzystna, bo skokowe zmiany napięcia w obwodzie wyjściowym wywołują przepływ znacznych impulsowych prądów upływowych przez pojemności międzyprzewodowe i doziemne żył przewodów ekranowanych. Te prądy upływowe, o przebiegu tłumionych oscylacji, stanowią dodatkowe obciążenie falownika, utrudniają dobór zabezpieczeń przeciążeniowych nadprądowych na jego wyjściu i komplikują rozwiązania ochrony przeciwpożarowej a nawet niektóre szczegóły ochrony przeciwzakłóceniowej.

W rezultacie, korzystne ze względu na pewne aspekty ochrony przeciwzakłóceniowej, przewody ekranowane nie mogą być zbyt długie. Na przykład dla przemienników VLT firmy Danfoss dopusz­czalna długość przewodów obwodu wyjściowego wynosi:

150 m - dla przewodów ekranowanych (120÷220 pF/m); jeśli długość obwodu jest większa, mo­gą okazać się konieczne silniki o podwyższonej obciążalności napięciowej, np. co najmniej 1000 V/μs i 1300 V.

300 m - dla przewodów nieekranowanych.

W sytuacjach kłopotliwych wchodzi w rachubę użycie filtru wyjściowego (na wyjściu falowni­ka) zmniejszającego stromość napięcia w obwodzie wyjściowym (filtr du/dt) i tłumiącego impulsowe prądy upływowe, co umożliwia wydłużenie przewodów do silnika.

Skoro przez pojemności obwodu wyjściowego płyną znaczne prądy, to prąd wyjściowy prze­miennika nie jest równy prądowi wpływającemu do silnika, a różnica jest szczególnie duża w przy­padku silników o małej mocy zasilanych długimi przewodami ekranowanymi. W takich przypadkach prąd na wyjściu falownika nie jest miarodajną wielkością ani dla celów sterowania, ani dla celów za­bezpieczenia przeciążeniowego silnika. Układ zabezpieczeń silnika, działający na takiej zasadzie, jak opisane w rozdz. 1.2 przekaźniki nadprądowe mikroprocesorowe wraz z czujnikami temperatury w silniku i wszystkimi dodatkowymi członami (niesymetrii prądowej i napięciowej, podnapięciowym itd.), jest integralną częścią przemiennika częstotliwości.




15. Rys. Sposoby przyłączania ekranu elektromagnetycznego na końcach przewodu ekranowanego.

Sposoby przyłączania ekranu elektromagnetycznego na końcach przewodu ekranowanego.

Jeśli przewody łączące przemiennik z silnikiem są ekranowane, to należy przestrzegać następu­jących zasad:

•Ekran elektromagnetyczny jest elementem ochrony przeciwzakłóceniowej i nie powinien być wy­korzystywany jako samodzielny przewód ochronny PE.

•Przewód ochronny PE obwodu silnikowego powinien być jedną z żył przewodu ekranowanego, a nie osobno ułożonym przewodem. Ma być objęty ekranem.

•Ekran powinien być obustronnie uziemiony przez połączenie z szyną ochronną przemiennika (na początku) i korpusem silnika (na końcu).

•Zakończenie ekranu nie powinno być przyłączane do zacisku wyrównawczego metodą „świńskiego ogonka" (niem. Schirmschwänzchen), jak na górnym lewym szkicu z rys. 5.17. Zaledwie półśrodkiem są obejmy zaciskowe obejmujące ekran praktycznie na całym obwodzie. Tam. gdzie ważna jest ochrona przed zakłóceniami o częstotliwości rzędu l MHz i większej ekran powinien być na całym obwodzie przewodu połączony bezpośrednio z przewodzącą obudową urządzenia, do którego wprowadza się przewód (dolny prawy szkic na rys. 5.17). Pojedynczy przewód ma indukcyjność ok. l μH/m. dwa „ogonki" o długości po 0.1 m na obu końcach przewodu maja zatem indukcyjność 2 • 0.1m • lμH/m = 0,2 μH. co przy częstotliwości prądu zakłóceniowego l MHz daje reaktancję X = ω•L = 2π•1O⁶ • 0,2•10⁶ = l .25 Ω. Impedancja sprzężeniowa ekranu grupy żył ma wartość zależną od budowy przewodu, a zwłaszcza jego ekranu (rys. 5.18). Jeżeli za wartość przeciętną przyjąć l mΩ/m. dochodzi się do zaskakującego wniosku: przy częstotliwości l MHz dwa króciutkie „ogonki" na końcach przewodu wprowadzają takie napięcie zakłóceniowe, jak impedancja sprzężeniowa ekranu odcinka przewodu o długości 1250 m.




16. Impedancja sprzężeniowa [m\m] ekranu grupy żył przewodów różnej budowy w zależności od częstotliwość) (materiały firmy Danfoss)

Uziemienie robocze(funkcjonalne)elektronicznych układów sterowania w zasadzie należy łączyć z szyną ochronną PE przekształtnika i/lub rozdzielnicy. Połączenia powinny być jak najkrótsze i wykonane przewodami płaskimi(taśmami).W tym celu szyna ochronna o dużym przekroju powinna być wystarczająco długa (np. na całą wysokość pola rozdzielnicy) i powinna być dostępna tuż przy każdym bloku wymagającym takiego połączenia. Dla ochrony przeciwzakłóceniowej impedancja połączeń z szyną (zależna od częstotliwość) jest znacznie ważniejsza niż rezystancja uziemienia tej szyny.

1. 5.Problemy ochrony przeciwporażeniowej

Przemienniki częstotliwość oraz ich obwody zasilające i wyjściowe, łącznie z silnikami, podlegają ogólnym zasadą ochrony przeciwporażeniowej, oczywiście z uwzględnieniem specyficznych i trudnych obwodów związanych z przekształtnikami energoelektronicznymi.

Obowiązuje ochrona podstawowa (ochrona przed dotykiem bezpośrednim) polegająca na stosowaniu izolacji podstawowej części czynnych oraz osłon o odpowiednim stopniu ochrony IP. W przypadku izolacji podstawowej pamiętać trzeba o jej narażeniu na wszelkie przepięcia ,również przepięcia komutacyjne o wartości zależnej nie tylko od stromości prądu ,lecz również od indukcyjności połączeń wewnętrznych. O odporności przemiennika na napięcia impulsowe decyduje wytrzymałość elektryczna izolacji elektrod tranzystorów IGBT względem uziemionego radiatora. Przestrzegać trzeba wszelkich uznanych reguł technicznych konstrukcji przekształtników, nawet tych pozornie błahych. Na przykład płytki obwodów drukowanych powinny być mocowane raczej pionowo, a nie poziomo, by były mniej narażone na osiadanie kurzu. Różne zabiegi konstrukcyjne [12] pozwalają zwiększyć bezpieczeństwo personelu podczas przygotowania urządzenia do pierwszego uruchomienia, czynności regulacyjnych i wyszukiwania uszkodzeń.

Obowiązuje na ogólnych zasadach ochrona dodatkowa (ochrona przy dotyku pośrednim).Oznacza to, że w razie uszkodzenia izolacji podstawowej, w razie zwarcia z częścią przewodzącą, dostępną, powinno nastąpić:

• albo samoczynne wyłączenie zasilania przez przystosowane do tego zabezpieczenie zwarciowe bądź różnicowoprądowe (z przerwaniem galwanicznej ciągłości obwodu zasilania)

• albo ograniczenie występujących napięć dotykowych do poziomu nie przekraczającego wartości dopuszczalnych)




17. Reprezentatywne miejsca zwarć doziemnych w obwodach pośredniego przemiennika częstotliwości

Oczywiście układ powinien być zabezpieczony przed skutkami zwarć powstałych w dowolnym miejscu instalacji. (rys. 5.19):

• -zwarć między biegunowych powodujących cieplne i elektrodynamiczne natężenia elementów instalacji oraz

• -zwarć doziemnych powodujących zagrożenie porażeniem, a w układzie TN - również narażenia cieplne i elektrodynamiczne elementów instalacji.

Osobliwością obwodów wszelkich przekształtników jest to, że przebieg czasowy prądu zwarciowego zależy od miejsca zwarcia i że zwarcie międzybiegunowe i zwarcie doziemne w tym samym miejscu może charakteryzować się innym przebiegiem prądu zwarciowego.

Przy zwarciu doziemnym w obwodzie zasilającym pośredniego przemiennika częstotliwości płynie prąd o przebiegu i wartości, jak w każdym innym obwodzie instalacji o układzie TN . Fakt, że obwód zasila akurat przemiennik jest bez znaczenia, dopóki miejsce zwarcia znajduje się przed zaciskami wejściowymi samego przemiennika. Przy zwarciu doziemnym w obwodzie pośredniczącym płynie prąd jednokierunkowy o określonym tętnieniu.

W razie zwarcia doziemnego w obwodzie wyjściowym płynie prąd przemienny odkształcony. Obwód wyjściowy jest obciążony niesymetrycznie, a przy zasilaniu z układu TN stopień asymetrii jest duży, ale obwód pośredniczący prądu stałego sprawia, że obwód zasilający przemiennika mimo to jest nadal obciążony symetrycznie. Następuje symetryzacja prądów po stronie zasilania przemiennika i nie można liczyć na to, że w wyniku zwarcia jednofazowego z ziemią w obwodzie wyjściowym prąd w jednej z faz obwodu zasilającego przekształtnik wzrośnie i to w stopniu umożliwiającym pobudzenie zabezpieczenia nadprądowego.

Falownik przemiennika jest wyposażony w zabezpieczenia od skutków zwarć międzybiegunowych i doziemnych w obwodzie wyjściowym, ale kryterium ich działania jest zabezpieczenie przed uszkodzeniem przekształtnika, zwłaszcza wyjątkowo wrażliwych tranzystorów IGBT , a nie wymagania ochrony przeciwpożarowej. Algorytm działania może być następujący:

• -pomimo wystąpienia doziemienia układ nadal pracuje, jeśli prąd doziemny ma niewielką wartość (zasilanie z układu IT i/lub duża rezystancja w miejscu zwarcia),

• -w razie wystąpienia dużego prądu zwarcia L-PE (zasilanie z układu TN i mała rezystancja w miejscu zwarcia) następuje bezzwłocznie (<10ms) wyłączenie napięcia wyjściowego poprzez wyłączenie tranzystorów falownika; takie zadziałanie zabezpieczeń przekształtnika nie daje szansy interwencji żadnemu poprzedzającemu zabezpieczeniu nadprądowemu a to filtrami.

Jednakowo ż, jak to można przeczytać w punkcie3.3.5 projektu nowelizacji przepisów [11], ,,Stan blokowania łącznika półprzewodnikowego lub przekształtnika nie powinien być uważany za wyłączenie zasilania dla celów ochrony przeciwporażeniowej'' , bo nie gwarantuje galwanicznego oddzielenia uszkodzonego obwodu od poprzedniej instalacji zasilającej pozostającej pod napięciem. Z różnych względów funkcjonalnych zawory, zwłaszcza zawory głównie w pełni sterowane, są bocznikowane a to diodami zwrotnymi, a to filtrami.

Jeżeli nawet z podanych powodów nie można zapewnić samoczynnego wyłączenia zasilania to skuteczność ochrony dodatkowej bez trudu mogą zagwarantować odpowiednio wykonane miejscowe połączenia wyrównawcze :

• -do przemiennika i silnika należy doprowadzić przewody ochronne PE o wymaganym przekroju ,w żadnym razie nie mniejszym niż 10mm2 (miedziane) ze względu na duży prąd upływowy

• -w poprzedzających rozdzielnicach należy wykonać połączenia wyrównawcze PE z pobliskimi częściami przewodzącymi obcymi

• -jeżeli przemiennik i / lub silnik są oddalone od są oddalone od rozdzielnicy z miejscowymi połączeniami wyrównawczymi , to zaleca się wykonać połączenia wyrównawcze między szyną ochronną przemiennika i / lub korpusem silnika a najbliższymi częściami przewodzącymi obcymi.

• -skuteczność ochrony dodatkowej za pomocą połączeń wyrównawczych miejscowych można potwierdzić obliczeniowo zgodnie z postanowieniem PN-IEC60364-4-41, pkt 413.1.3.5.

Jako rozwiązanie ostatnie w kolejności wchodzą w rachubę wyłączniki różnicowoprądowe, jako urządzenia zapewniające samoczynne wyłączenie zasilania. Jest to rozwiązanie, do którego z następujących powodów nie należy uciekać się pochopnie:

• -przemienniki częstotliwości bywają instalowane w obwodach silników, których ciągłość pracy ma pierwszorzędne znaczenie i trudno akceptować zbędne ich wyłączenia z błahych powodów, bez istotnego zagrożenia, np. z powodu przejściowego zwiększonego prądu upływowego. Lobby różnicowoprądowe ukrywa przed polskimi elektrykami, że Normy Europejskie zabraniają stosowania wyłączników różnicowoprądowych w obwodach bezpieczeństwa, a wielu innych - odradzają ich stosowanie.

• -W rozważanym układzie występują duże prądy upływowe samego przemiennika (filtr wejściowy, ewentualny filtr wyjściowy, pojemności pasożytnicze ) i obwodu wyjściowego ( przewód, zwłaszcza ekranowy, pojemności doziemne uzwojeń silnika ). Prąd upływowy samego przemiennika dużej mocy może przekraczać 0,2A, a całego układu- przekraczać wartość 1 A. dla uniknięcia zbędnych wyłączeń prądu niezadziałania wyłącznika różnicowoprądowego powinien być z pewnym marginesem bezpieczeństwa większy niż prąd różnicowy w miejscu zainstalowania. Tymczasem trudno te prądy porównać, skoro prąd niezadziałania wyłącznika odnosi się do prądu 50 Hz, a prąd różnicowy ma widmo częstotliwościowe od zera do dziesiątków, kiloherców i więcej. Nieliczni producenci podawali dotychczas, jak włącznik zachowuje się przy prądzie różnicowym o częstotliwości zwiększonej najwyżej do 400 Hz, unikając jakichkolwiek informacji o działaniu przy częstotliwości jeszcze większej. Trzeba, więc używać wyłącznika różnicowoprądowego o stosunkowo dużym znamionowym różnicowym prądzie zadziałania i to wyłącznika, którego pobudzenie przy rzeczywiście występującym przebiegu prądu różnicowego nie jest w pełni rozpoznane.

Zważywszy, że prąd różnicowy może mieć rozmaity przebieg w czasie (rys. 5.19), może mieć widmo obejmujące prąd stały i składowe przemienne o szerokim zakresie częstotliwości, w obwodach zasilających pośrednie przemienniki częstotliwości wymagane są [18] urządzenia różnicowoprądowe o wyzwalaniu typu B, czyli kosztowne i durze, z dwoma systemami detekcji prądu różnicowego.

Jak widać, poprawny dobór wyłączników różnicowoprądowych do obwodu przekształtników jest kłopotliwy [3, 10, 12,13]. Sytuacje można trochę poprawić przez ograniczenie impulsowych prądów upływowych w obwodzie wyjściowym, wynikających z częstotliwości przetwarzania napięcia w falowniku, stosując na wyjściu przemiennika dławiki trójfazowe: dławik symetryczny obniżający wartość szczytową prądu płynącego przez pojemności między fazowe i dławik spolaryzowany tłumiący składową prądu płynącą pojemności doziemne.

Klasyczny wyłącznik różnicowoprądowy o wyzwalaniu typu B, o czułości 30 mA da się zastosować tylko w obwodzie zasilającym przemiennika niewielkiej mocy, np. 5 kW, o krótkim obwodzicie wyjściowym. W urządzeniach przemysłowych z przemiennikami dużej mocy i dłuższymi obwodami wyjściowymi klasyczny wyłącznik B o czułości 300 lub 500 mA może podlegać nieustannym zbędnym pobudzeniom.

Nadzieję na rozwiązanie błędnego koła przedstawionych wyżej dylematów stosowania wyłączników różnicowoprądowych w obwodach przekształtników większej mocy przynoszą najnowsze konstrukcje na wpół inteligentnych wyłączników. Wykorzystują one tę okoliczność, że:

Inne jest widmo prądów upływowych podczas normalnej pracy, na które wyłącznik nie powinien reagować.

Inne jest widmo prądów o zwarć doziemnych, po wykryciu, których wyłącznik powinien wyłączyć chroniony obwód.

Chodzi o wyłączniki o wyzwalaniu typu B, o działaniu niezależnym od napięcia sieciowego, do pracy w obwodach o napięciu 30
400 Vac, o prądzie znamionowym ciągłym do 125A krótkozwłoczne i zwłoczne ( selektywne S), aby przetrzymały przejściowe prądy różnicowe towarzyszące załączaniu przemienników częstotliwości. Wykrywają wszelkie wchodzące w rachubę prądy różnicowe od prądu stałego o pomijalnym tętnieniu do prądów wysokiej częstotliwości (do50 kHz). Mają zmniejszoną czułość na prądy różnicowe o częstotliwości 100
1000Hz, co ma zapobiegać zbędnym zadziałaniem wywołanym przez harmoniczne rzędu podzielnego przez trzy (ang. triplen), płynące w przewodzie ochronnym: trzecią (150 Hz), dziewiątą (450 Hz) oraz piętnastą (750 Hz), dominujące w prądzie różnicowym wykrywanym przez wyłącznik.

Jeżeli prąd zadziałania przy częstotliwościach większych niż 100Hz nie przekracza 0,3A, to paradoksalnie taki wyłącznik mógłby być uznany za ochronę uzupełniającą na równi z wyłącznikiem 30mA w obwodzie 50Hz. O ile bowiem przy częstotliwości 1 kHz prąd graniczny samouwolnienia jest tylko 1,6-krotnie większy niż prąd 50 Hz wywołujący ten san efekt. To graniczny długotrwały prąd niefibrylacyjny jest aż 14-krotnie większy (14*30 mA= 420mA), a to właśnie prąd niefibrylacyjny jest obecnie głównym kryterium ochrony uzupełniającej. Przed jakimkolwiek rozstrzygnięciem normalizacyjnym należałoby jednak wziąć pod uwagę wszelkie inne skutki patofizjologiczne długotrwałego rażenia prąden 300mA o częstotliwości 1000 Hz.

a)

b)

18. Zależność prądu niezadziałania (dolna linia) i prądu zadziałania (grna linia) wyłączników różnicoprądowych DFS 8B FU w zależności od częstotliwości prądu róznicowego zmieniającej się od 1 Hz do 50 kHz; a) wyłącznika o znamionowym różnicowym prądzie zadziałania 30mA (w zakresie 1
    100 Hz); b) wyłącznika o znamionowym różnicowym prądzie zadziałania 1000mA (w zakresie 1
    100 Hz oraz 1,5
    50 kHz )

Takie właściwości firma Doepoke [19] przypisuje swoim wyłącznikom DSB 4B oraz DFS 4B FU, które niedawno ukazały się na rynku. Ten drugi mógłby być użyty w roli ochrony uzupełniającej, jeżeli częstotliwość napięcia wyjściowego falownika nie przekracza 100 Hz. W takim przypadku przy oporowym zwarciu doziemnym nie mogą pojawić się prądy różnicowe o częstotliwości z zakresu 100
1000 Hz, lecz tylko prądy o częstotliwości sieciowej (50 Hz), o częstotliwości napięcia wyjściowego (
100 Hz) oraz o częstotliwości przełanczania falownika i jej harmonicznych (> 1kHz). Trzeci z oferowanych typów wyłączników to DFS 4B FU S (zwłoczny) umożliwiający wybiorczą współpracę z poprzednimi odmianami wyłączników krótkozwłocznych. Niektóre wykonania wyłączników mają znamionowy różnicowy prąd zadziałania (0,03A przy 50 Hz) nienastawialny, jak w większości innych konstrukcji, inne - umożliwiają nastawianie tego prądu, wybranie właściwej wartości spośród następujących: 0,1A, 0,3A i 10A. prezentowane wyłączniki różnicowoprądowe są przeznaczone w szczególności do obwodów zasilających silnik poprzez pośrednie przemienniki częstotliwości. Nie znaczy to jednak, że są one jedynym rozwiązaniem ochrony przeciwporażeniowej w takich instalacjach ani nawet, że są rozwiązaniem szczególnie zalecanym.

1. Literatura Do rozdziału

[1 ] Bernartt J.: Silniki indukcyjne do zasilania przekształtnikowego. Wiad. Elektot. 1998, nr 4, s. 222-225.

[2 ] Charoy A.: Zakłucenia w urządzeniach elektronicznych. Tom 3. WNT, Warszawa, 2000.

[3 ] Dorner H.: Betrieb von Umrichtern und FI-Schutzschaltern in einer Anlage. Antriebstechnik, 2000, nr 4, s. 44-45.

[4 ] Gómez J. i inni: Fuse unexpected operations in soft-starters by dissimilar current distribution. Proc. Sixth Int. Conf. Electr. Fuses and their Applicat., Turin, 1999, s. 177-181.

[5 ] Grigsby L. C.: the electric power engineering handbook. CRC Press, IEEE press, N.Y.,1998.

[6 ] Janczewski J.: Obciążalność silników przy regulacji prędkości obrotowej. Wiad. Elektot., 1957, nr2, s. 39-40.

[7 ] Kyei J. i inni: The design of power acceptability curves. IEEE Trans. Power Delivery, 2002, nr 3, s.828-833.

[8 ] Lehrmann Ch., Lienesch F., Engel U.: Oberschwingungsverluste und Erwärmungen umrichtergespeister Induktionsmaschinen. Bestimmung der Verluste in Abhängigkeit der Betriebsparameter. Bull. SEV, 2002, nr 15, s.9-14.

[9 ] Liszak V.: schmelzsicherungen im frequenzumrichter - Vereinfachte Auslegung durch Rechner- simulation. Etz, 1996, nr 9, s.30-33.

[10] Michalski A. I inni: Zabezpieczenia zwarciowe I kompatybilność przekształtnika częstotliwości zasilającego silnik napędowy. Wiad. .Elektot., 2004, nr9, s. 31-33.

[11] Musiał E., Jabłoński W.: Warunki techniczne jakim powinny odpowiadać urządzenia elektroenergetyczne niskiego napięcia w zakresie ochrony przeciwporażeniowej. Biuletyn SEP. INPE „Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, nr 24, marzec1999, s. 3-56.

[12] Pytlak A., Świątek H.: Ochrona przeciw porażeniowa w układach energoelktronicznych. COSiw SEP, Warszawa, 2002.

[13] RCD-Einstaz in Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln. Elektro praktiker, 2004,nr 4, s. 340-341.

[14] Rice D.: Adjustsble speed drive and power rectifier harmonics-Their effect on power system componets. IEEE Trans. Ind. Applicat., 1986,nr 1,s.161-177,

[15] Wagner V. E. I inni: Effects of harmonics on equipment - Report of the IEEE Task Force. IEEE Trans. Power Delivery, 1993, nr 2, s. 672-680.

[16] Zyborski J., Lipski T., Czucha J.: Zabezpieczenia diód i tyrystorów . WNT, Warszawa, 1985.

[17] PN-E_06717:1994 Maszyny elektryczne wirujące. Wytyczne stosowania silników indukcyjnych klatkowych zasilznych z przekształtników.

[18] PN-EN-50178:2003 Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy.

[19] Witryna internetowa firmy Doepke.

Główne źródło:

Musiał E.: Zabezpieczanie siklników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Biul. SEP INPE „ informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2004, nr 59-60,s.l3-35.






6. Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości

1. Praca przemiennika napięciowego w stanach awaryjnych.

Napięciowy przemiennik częstotliwości stosowany w napędzie silników indukcyjnych jest nieliniowym odbiornikiem energii zawierającym dużą pojemność gromadzącą energię napięcia stałego. Następuje w nim podwójna transformacja energii. Energia napięcia przemiennego o stałej wartości skutecznej i częstotliwości przekształcana jest na napięcie przemienne o regulowanej wartości skutecznej i częstotliwości. W tym procesie pośrednio energia zasilania przemiennika przekształcana jest na energię napięcia stałego. Schemat blokowy przemiennika napięciowego z zaznaczeniem potencjalnych punktów doziemienia elementów czynnych o różnych rodzajach prądu doziemnego przedstawiono na rys. 6.1.

1. Schemat blokowy przemiennika napięciowego z prostownikiem 3F6D i silnikiem. Prądy doziemne: A - prąd przemienny o parametrach sieci zasilania, gdzie U_SK ZW=230V, f = 50Hz, B - prąd stały, gdzie U_DC ZW=1/2xU_DC=280V, C - prąd o kształcie fali prostokątnej, gdzie: U_p ZW= 280V i f_p = kilka kHz).

Napięciowe przemienniki częstotliwości stanowią trudny do analizy pod względem ochrony przeciwporażeniowej odbiornik energii elektrycznej. Jest to urządzenie pracujące w rozproszonej strukturze ze względu na znaczną odległość silnika od przemiennika częstotliwości. Nawet bez stosowania dodatkowych filtrów LC dołączonych do wyjść mocy przemiennika odległości te osiągają wartości do 300m. W wielu zastosowaniach wymagane jest stosowanie kabla silnikowego ekranowanego lub zbrojonego ze względu na konieczność ograniczenia zaburzeń elektromagnetycznych emitowanych do otoczenia. Uziemienie ekranu/zbrojenia kabla silnikowego jest niezbędne dla ograniczenia emisji zaburzeń EMC. To uziemienie jest jednocześnie przyczyną zwiększonych dodatkowych prądów doziemnych o wysokich częstotliwościach. Ze względu na cechy modulacji MSI (ang. PWM) zawartość wyższych harmonicznych w napięciu wyjściowym przemiennika zwiększa się przy niskich częstotliwościach harmonicznej podstawowej prądu silnika, a więc przy małej prędkości obrotowej silnika [1]. Taka sytuacja, przy stosowaniu zabezpieczeń różnicowoprądowych może spowodować wyłączenie instalacji napędowej z pracy, ze względu na dużą wartość prądu doziemnego w przewodzie ochronnym PE. Stosowane wysokoczułych wyłączników różnicowoprądowych (30mA) jako ochrony uzupełniającej w tego typu instalacjach jest działaniem uniemożliwiającym jej poprawną pracę. Nieuzasadnione wyłączenia zasilania napędów z przemiennikami napięciowymi, które są powodowane jedynie wzrostem prądu upływu doziemnego w normalnych warunkach pracy przemiennika, prowadzą do dużych strat gospodarczych.

Stosowanie przeciwporażeniowych wyłączników różnicowoprądowych, niezależnie od ich rodzaju (AC, A, B) jest niewłaściwe i niezasadne w instalacjach z napięciowymi przemiennikami częstotliwości.

Można rozważać zasadność stosowania mniej czułego wyłącznika typu A czy B dla zwiększenia skuteczności ochrony przeciwpożarowej, ale i to zastosowanie jest dyskusyjne. Wyłączniki różnicowoprądowe są produkowane dla odbiorników o mocy do ok. 50kW [2]. Często nie ma powodu stosować innego układu zasilania dla napędów z przemiennikami do 50kW i innego powyżej tej mocy. Żadna DTR producenta przemienników produkowanych w UE i oznaczonych znakiem CE nie sugeruje stosowania w ochronie przeciwporażeniowej wyłączników różnicowoprądowych. W Polsce obowiązuje ta sama norma w zakresie ochrony przeciwporażeniowej jak krajach UE, tj. PN-IEC60364.

W dalszej części opracowania autor przeprowadzi analizę cech przemiennika częstotliwości istotnych dla zrozumienia zasady budowy układu zasilania z właściwą ochroną dodatkową. Ochrona podstawowa zwykle nie budzi większych kontrowersji i jest zapewniona przez zastosowanie odpowiednich osłon urządzeń i izolacji kabli.

1. PRĄDY I NAPIĘCIA NA WEJŚCIACH I WYJŚCIACH MOCY PRZEMIENNIKA NAPIĘCIOWEGO

W przemiennikach małych i średnich mocy stosowany jest wejściowy mostkowy prostownik diodowy 3F6D obciążony znaczną pojemnością obwodu pośredniego. Kształt odkształconej fali wejściowego prądu fazowego na tle sinusoidy napięcia fazowego przedstawiono na rys. 6.2.

2. Typowy przebieg napięcia fazowego i prądu przewodowego na zasilaniu przemiennika napięciowego z prostownikiem 3F6D. U_dz=200V, I_dz= 5A, T_dz=5ms, P_NPC=2.2kW.

Przemiennik napięciowy, tak jak większość odbiorników energoelektronicznych, jest generatorem mocy odkształconej wprowadzanej do sieci zasilania. Moc odkształcona wzrasta wraz z niedociążeniem przemiennika. Zagadnienie to jest szczególnie istotne przy głębokiej regulacji silników napędów pomp wirowych i wentylatorów. Ze względu na duże niedociążenie przemiennika, przy pracy napędu poniżej prędkości nominalnych, wzrasta moc odkształcona generowana do sieci zasilania w stosunku do warunków pracy przy obciążeniu nominalnym, powoduje to zwiększenie prądów upływu doziemnego. Dla ograniczenia wyższych harmonicznych prądu niższych rzędów stosuje się zwykle dławiki ac, włączone na wejściach prostownika lub dławiki dc włączone do wyjść stałonapięciowych prostownika, rys. 6.3.

3. Wpływ dławików ac i dc prostownika na ograniczenie zawartości harmonicznych prądu niższych rzędów zilustrowane wartością współczynnika THDi [4].

Harmoniczne prądu wyższych rzędów przenoszą mniejszą energię mocy odkształconej i ich negatywny wpływ na sieć zasilania ograniczany jest wejściowymi filtrami radioelektrycznymi typu LC.

Wyjścia mocy przemienników wskutek cyfrowego przełączania napięcia z dużą częstotliwością, rzędu kilku kHz, powodują występowanie prądów pojemnościowych międzyprzewodowych i doziemnych tak w kablu silnikowym jak i samym silniku, rys. 6.4.

4. Napięcie międzyfazowe i prąd wyjściowy przemiennika obciążonego silnikiem klatkowym.T_dz=5ms. U_dz=200V, I_dz=5A, f_h1=40Hz, b). Napięcie międzyfazowe i prąd wyjściowy przemiennika obciążonego silnikiem klatkowym.T_dz=0,1ms, U_dz=200V, I_dz=5A, f_p=4,0kHz, c) Napięcie fazowe i prąd wyjściowy przemiennika obciążonego silnikiem klatkowym. T_dz=5ms. U_dz=200V, I_dz=5A, f_h1=40Hz

Obwód pośredni zawierający dużą pojemność akumulującą energię stanowi dodatkowe źródło potencjalnego zagrożenia porażeniowego, nawet przy odłączonym od zasilania przemienniku. Czas rozładowywania się kondensatorów obwodu pośredniego jest zależny od mocy przemiennika i wzrasta wraz z jego mocą osiągając czasy nawet do 20min. DTR przemiennika ściśle precyzuje ten czas i wcześniejsze otwieranie obudowy urządzenia (usuwanie ochrony podstawowej) jest niedopuszczalne ze względu niebezpieczeństwo porażenia.

Należy zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo jakie może wystąpić np. przy gaszeniu pożaru silnika czy kabla silnikowego, gdyż przy uszkodzeniu tranzystora IGBT i zatrzymanym silniku może do czasu rozładowania baterii kondensatorów przemiennika, utrzymywać się napięcie stałe między przewodami fazowymi kabla silnikowego i kabla uziomu o wartości od ok. ½ U_DC przemiennika.

1. PRZEMIENNIK CZĘSTOTLIWOŚCI, A ZAGROŻENIE PORAŻENIEM

Pomiar impedancji pętli zwarcia jest podstawowym pomiarem w ocenie skuteczności ochrony przed dotykiem pośrednim w obwodach układu sieciowego TN z zabezpieczeniami przetężeniowymi (samoczynne wyłączenie zasilania). Impedancja pętli zwarciowej powinna mieć tak małą wartość, aby prąd zwarciowy płynący w pętli zwarciowej osiągnął dostatecznie dużą wartość zapewniającą zadziałanie przetężeniowych urządzeń ochronnych w wymaganym krótkim czasie, np. 0,2s; 0,4s; czy do 5s [5].

Przed przystąpieniem do wyboru zabezpieczenia przetężeniowego należy ustalić:

Maksymalny czas wyłączenia zasilania dla danego znamionowego napięcia fazowego (w stosunku do ziemi) U₀ i dopuszczalnego długotrwałego napięcia dotyku U_L (z tablicy maksymalnych czasów wyłączania obwodów pracujących w układzie TN, wg normy PN-IEC60364).

Korzystając z charakterystyk czasowo prądowych i danych znamionowych urządzeń ochronnych (wkładki topikowe, wyłączniki nadmiarowo prądowe) ustalamy wartość prądu I_a powodującego samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w czasie ustalonym w poprzednim punkcie.

Prądy wyłączalne wkładek topikowych odczytujemy z ich charakterystyk pasmowych.

Mając na uwadze utrudnione odczytywanie wartości liczbowych z charakterystyk t=f(i) przedstawianych w skali logarytmicznej, często podaje się je w postaci tabelarycznej. W tablicy parametrów technicznych wkładek topikowych podaje się wartości maksymalnych prądów zadziałania (przepalenia) wkładek topikowych dla czasów 0,2s; 0,4s; 5s.

Można zastosować także elektromagnetyczny wyłącznik nadmiarowo-prądowy, np. typu S190 typ A (I_a = 3I_n). Przemiennik napięciowy od strony wejść zasilających należy traktować jako obciążenie rezystancyjne, dlatego i styczniki na wejściach zasilania dobieramy wg charakteru obciążalności typu AC-1.

Prąd wyłączalny obliczany ze wzoru:

Korzystając z zależności;

TN

[ 6.1 ]

gdzie: Z_s - impedancja pętli zwarcia w [Ω], U₀ - napięcie znamionowe względem ziemi w [V], I_a - prąd powodujący samoczynne zadziałanie urządzenia ochronnego w [A].

obliczamy dopuszczalną maksymalną wartość impedancji pętli zwarciowej, gwarantującej samoczynne wyłączenie zasilania w danym czasie.

Dla przemiennika napięciowego należy zastosować następującą regułę:

Pomiar impedancji pętli zwarcia poszczególnych faz dokonujemy na zaciskach dołączonego do przemiennika silnika przy odpowiednio zwartych ze sobą zaciskach wejściowych i wyjściowych przemiennika: L1-U, L2-V, L3-W.

Nie budzi tutaj wątpliwości zasada wyznaczania impedancji pętli zwarcia na zaciskach zasilania przemiennika częstotliwości, dla potencjalnego zwarcia w punkcie A i B, rys. 6.1. Dobranie wkładki topikowej na podstawie tego pomiaru gwarantuje także odpowiednio niskie napięcie dotykowe U_L jeśli dojdzie do zwarcia doziemnego w punkcie C, tj. na zaciskach miejscowo uziemionego silnika.

Dla zapewnienia stałej, niezależnej od otoczenia, wartości impedancji pętli zwarcia o odpowiednio malej wartości, silnik z przemiennikiem łączy się przewodem ochronnym.

Gdy nie ma uziemienia silnika w miejscu jego zainstalowania, wtedy podstawową rolę odgrywa wartość impedancji przewodu ochronnego na odcinku pomiędzy miejscem uziemienia instalacji zasilania a silnikiem. Zbyt mały przekrój przewodu ochronnego może spowodować przekroczenie wartości bezpiecznej napięcia dotykowego U_L. Zalecenie zwiększenia o rząd większego przekroju żyły ochronnej PE, niż to wynika z normy PN-IEC60364 przypadkach, nawet gdy są długie kable silnikowe i silnik nie jest miejscowo dołączony do uziemienia nie wydaje się być uzasadnione.

Uziemienie występujące bezpośrednio w miejscu instalacji przemiennika częstotliwości jest bardzo korzystne zarówno pod względem ochrony przeciwporażeniowej jak i tłumienia zakłóceń radioelektrycznych. Niestety taka sytuacja w napędach z przemiennikami częstotliwości małych i średnich mocy występuje rzadko, uziom w punkcie B wg rys. 6.5. Lokalizacja przemienników w rozdzielni elektrycznej wydaje się być najkorzystniejsza, zarówno ze względu na dostęp do instalacji uziemienia jak i ograniczenie dostępu do przemienników przez osoby bez odpowiednich kwalifikacji elektrycznych.

5. Uziemianie ochronne napędu z napięciowym przemiennikiem częstotliwości w sieci TN-S.

Dla zapewnienia odpowiednio krótkiego czasu zadziałania bezpiecznika zaleca się stosowanie bezpieczników szybkach typu gR, na zasilaniu przemiennika. Przy wewnętrznym zwarciu doziemnym przemiennika, w punkcie B wg rys. 6.1, następuje przepływ prądu zwarciowego jednocześnie z dwóch źródeł: prostownika i baterii kondensatorów - prąd DC. Następuje gwałtowne rozładowywanie baterii kondensatorów. To powoduje przepływ prądu jej doładowania o zwiększonej amplitudzie z prostownika, a w konsekwencji odpowiednio szybkie przepalenie bezpiecznika BM. Ograniczenie prądu zwarciowego poprzez zastosowanie bezpiecznika szybkiego do wartości ok. 5-6I_N przemiennika może znacznie ograniczyć termiczne skutki zwarcia i wpłynąć na zmniejszenie kosztów naprawy.

Cyfrowe przełączanie napięcia wyjściowego przemiennika z częstotliwością kilku kiloherców powoduje powstawanie pojemnościowych prądów upływu. Głównie prądy upływu pomiędzy przewodami fazowymi zasilania silnika a przewodem ochronnym uniemożliwiają stosowanie przeciwporażeniowych wyłączników ochronnych. W przypadku stosowania kabla silnikowego ekranowego lub zbrojonego dla ograniczenia emisji zaburzeń EM, następuje zwiększony przepływ prądu upływu do uziemionego ekranu lub zbrojenia kabla. Ekran kabla silnikowego należy jednostronnie dołączyć do uziomu przy przemienniku częstotliwości. Takie połączenie z uziomem powoduje ograniczenie rozprzestrzeniania się zaburzeń od prądu upływu o wyższych częstotliwościach, w szczególności o częstotliwościach radiowych, rys. 6.6.

6. Obwód przepływu zaburzeń wysokoczęstotliwościowych przy jednostronnym dołączeniu ekranu/zbrojenia kabla silnikowego
   do uziomu przemiennika częstotliwości.

Dwustronne uziemienie ekranu kabla silnikowego może spowodować wzrost zaburzeń radiowych wprowadzanych do otoczenia wskutek przepływu tych prądów do przemiennika przez bliżej nieokreśloną drogę między uziomami silnika i sieci zasilania lub przemiennika, rys. 6.5. Szczególnie przy długich kablach silnikowych, gdzie impedancja wysokoczęstotliwościowa ekranu ma relatywnie dużą wartość. Zachowanie się wysokoczęstotliwościowego prądu upływu ma charakter przepływu zbliżony do prądów błądzących. Jego wartość oraz wprowadzane do okolicznych urządzeń zaburzenia mocno zależą od warunków otoczenia. Bywa, że instalacja pracuje prawidłowo, a w innym razem następują zjawiska powodujące zadziałanie wyłączników różnicowo prądowych innych okolicznych urządzeń bez wyraźnego powodu. Takie zdarzenia świadczą o konieczności prześledzenia uziemień ekranów kabli silnikowych, silników i przemienników napięciowych.

Przy uziemieniu silnika jedynie poprzez uziom przy przemienniku dwustronne dołączenie ekranu kabla silnikowego jest korzystne i powoduje duże zmniejszenie emisji zaburzeń radiowych do otoczenia, efekt klatki Faraday'a, rys. 6.7.

7. Obwód przepływu zaburzeń wysokoczęstotliwościowych przy dwustronnym dołączeniu ekranu lub zbrojenia kabla silnikowego do uziomu przemiennika częstotliwości i silnika.

Należy zauważyć, że prąd upływu występujący w ekranie/zbrojeniu kabli silnikowych nie będzie przepływać przez uziom transformatora zasilania jeśli przemiennik napięciowy będzie miał własny uziom. Przez uziom transformatora będzie przepływać prąd upływu wejściowych filtrów radioelektrycznych przemiennika.

Aby ograniczyć prąd upływu doziemnego pochodzący od kabli silnikowych i silnika należy rozważyć możliwość zastosowania dławików wyjściowych przemiennika ograniczających stromość narastania prostokątnego (cyfrowego) napięcia w kablu i na zaciskach silnika. Można także zastosować wyjściowe filtry LC, które zapewniają praktycznie sinusoidalne napięcie zasilania silnika. Stosowanie dławików wyjściowych lub filtrów LC wiąże się jednak z innymi niepożądanymi skutkami: znacznym poziomem szumu akustycznego w miejscu ich instalacji oraz zmniejszeniem dynamiki pracy silnika.

Można przyjąć regułę, że w napędach o krótkich kablach silnikowych należy dwustronnie łączyć ekran/zbrojenie kabla silnikowego, odpowiednio do uziomu silnika i przemiennika. Przy dłuższych długościach kabli silnikowych należy rozważyć możliwość jednostronnego podłączenia ekranu/zbrojenia kabla silnikowego tylko do uziomu przemiennika.

Pomiar impedancji pętli zwarcia na zaciskach silnika ma podstawowe znaczenie dla doboru maksymalnej wartości i rodzaju wkładki bezpiecznikowej. Zapewnienie odpowiedniego napięcia dotykowego (24Vac - silnik w przestrzeni otwartej, zawilgoconej lub 50Vac - silnik w przestrzeni zamkniętej, zadaszonej i suchej) przy zwarciu doziemnym musi być tu bezwzględnie przestrzegane.

W normalnych warunkach pracy przemiennik częstotliwości sam ogranicza wartość prądu zwarcia doziemnego, co nie spowoduje wystąpienia zjawisk niebezpiecznych dla człowieka. Przy pełno zwarciowym prądzie doziemnym następuję bardzo szybkie, w czasie mniejszym od 0.1s, zablokowanie półprzewodnikowych zaworów falownika, tj. wyjściowego obwodu mocy przemiennika. Uniemożliwia to dalszy przepływ prądu zwarciowego. Brak szybkiego ustąpienia zwarcia spowoduje zatrzymanie pracy przemiennika i tym samym silnik nie będzie zasilany [7].

Przy niepełnym zwarciu doziemnym przemiennik częstotliwości ogranicza jednakowo prąd wyjściowy wszystkich faz do wartości skutecznej poniżej wartości nominalnej prądu silnika. Wielkość tego ograniczenia jest tym większa im mniejsza jest impedancja pomiędzy doziemionym przewodem fazowym, a przewodem ochronnym.

Przemiennik zachowuje się tak jak źródło zasilania o dużej impedancji wewnętrznej uniemożliwiającej przepływ prądu zwarciowego o wartości większej niż 2I_N. Ograniczenie to wynika głównie z wartości prądów maksymalnych zastosowanych półprzewodnikowych zaworów mocy falownika (np. tranzystorów IGBT) oraz zastosowanej szybkiej wkładki bezpiecznikowej na zasilaniu przemiennika.

W awaryjnym stanie pracy przemiennika napięciowego może nie nastąpić zablokowanie półprzewodnikowych zaworów falownika. W takiej sytuacji przy zaistnieniu zwarcia w punkcie C, rys. 6.1, będzie płynął prąd doziemny, stały lub pulsujący modulowany jednopołówkowo. Jeśli uszkodzenie przemiennika nie będzie krytyczne to nie nastąpi przepływ prądu zwarciowego o wartości powodującej przepalenie się bezpieczników zainstalowanych na zasilaniu przemiennika. Przepływający prąd doziemny nie może też spowodować wzrostu napięcia dotykowego do wartości niebezpiecznej, a maksymalna jego wartość ulega szybko obniżeniu od wartości wyznaczonej z równania:

TN

IZW Max=1/2x1000V : ZZW PR < 2IN

[6.2]

I_{ZW Max} - Maksymalny prąd zwarcia, wynikający z maksymalnego napięcia baterii kondensatorów obwodu DC przemiennika (ok. 1000V dla sieci 3x380-500V). Napięcie to może osiągnąć wartość 1000V tylko w czasie hamowania silnika, gdy silnik pracując generatorowo przekształca energię hamowania na energię elektryczną i jest ona gromadzona w baterii kondensatorów przemiennika.

Z_{ZW PR} - Impedancja zwarciowa pomiędzy dodatnim lub ujemnym zaciskiem baterii kondensatorów przemiennika, poprzez miejsce zwarcia doziemnego, np. uziemiona obudowa silnika, nie powodująca przepływu prądu zwarciowego o wartości powodującej zadziałanie bezpieczników na zasilaniu przemiennika tj. o wartości I_a = 2I_N.

1. Symulowanie na stanowisku laboratoryjnym awaryjnych stanów pracy przemiennika napieciowego w układzie napędowym.

Poniżej przedstawiano:

1. Schemat elektryczny do symulowania awaryjnych stanów pracy przemiennika napięciowego w układzie napędowym, rys. 6.8.

2. Widok pełnego stanowiska do symulacji zwarć w zewnętrznej instalacji elektrycznej układu napędowego z napięciowym przemiennikiem częstotliwości i podstawową aparaturą badawczą, rys 6.9

3. Przykładowe zapisy wyników symulacji, w programie komputerowym SMPLORER, przebiegu napięcia między przewodem ochronnym, a szeregowo połączonymi kondensatorami. Napięcie VM3 jest przebiegiem trójkątnym o częstotliwości 3f_s (150Hz), rys. 6.10 i rys. 6.11.




8. Symulowanie stanów awaryjnych pracy przemiennika napięciowego w układzie napędowym.




9. Wygląd stanowiska laboratoryjnego badań zwarć w zewnętrznej instalacji elektrycznej napięciowego przemiennika częstotliwości.




10. Symulacja prostownika 3F6D - wyznaczenie napięcia na VM3, tj. między PE i połową napięcia baterii kondensatorów obwodu pośredniego przemiennika napięciowgo.




11. Symulacja prostownika 3F6D - interpretacja powstawania napięcia pomiędzy potencjałem uziomu (potencjał przewodu PE), a napięciem punktu neutralnego silnika zasilanego z przemiennika.

1. przebieg Badań symulacjnych

Z uwagi na ograniczoną ilość elementów, ze względu na fakt, że dostępna wersja oprogramowania jest wersją demo, tab. 6.1, nie możliwa była symulacja pełnego układu przemiennika. Układ został ograniczony do następujących elementów:

• Sieć zasilająca,

• Prostownik 3f 6D,

• Układ pośredni DC,

• Odbiornik R.

1. Maksymalna liczba elementów i funkcji dostępnych w różnych wersjach oprogramowania Simplorer 4.2 [17].




Posługując się oknem dialogowym, i korzystając z elementów umieszczonych w bibliotece programu, stworzyłem, w edytorze graficznym, schemat układu, który poddałem badaniom. Wyniki badań symulacyjnych współpracy prostownika 3f6d dla różnych obciążeń i parametrów sieci zasilania przedstawiono na rys. 6.12 i rys. 6.13.

Dostępna jest obecnie wersja SIMPLORER SV 7.0 i zapewnia ona znacznie szersze możliwości badań symulacyjnych niż stosowana w pierwszej fazie badań wersja SIMPLORER 4.2 EDU. W zakładzie dostępna jest 1 licencja pełnej wersji programu SIMPLORER 4.2.




12. Symulacja oddziaływania na sieć zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego odbiornika energii z pomijalnie małą wartością Lac i Ldc.




13. Symulacja oddziaływania na sieć zasilania prostownika 3F6D jako nieliniowego odbiornika energii ze znaczącą wartością Lac i Ldc

1. wnioski z SYmulacji pracy prostownika 3f6d Jako obwodu wejściowego przemiennika napięciowego

• indukcyjność sieci zasilania korzystnie wpływa na ograniczenie mocy odkształconej,

• ważne jest sztuczne powiększanie indukcyjności wejściowej przemiennika napięciowego z jednoczesnym uwzględnieniem faktu, że następuje zwiększenie niekorzystnego udziału mocy biernej w sieci zasilania,

• analiza pracy przekształtników energoelektronicznych przy użyciu programu symulacyjnego SIMPLORER pozwala na relatywnie szybkie uzyskania wyników opisujących jakościowo analizowane zjawiska

• niezbędna jest weryfikacja eksperymentalna otrzymanych na drodze symulacyjnej wyników, głównie dla weryfikacji poprawności przyjętych założeń i danych.

1. Literatura DO ROZDZIAŁU

[ 1]. E. Mitew, J. Szymański: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem. IV krajowa Konferencja Naukowa - SENE - Łódź 1999

[ 2]. R. Pastuszka, M Trajdos: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne - HELUKABEL 2003 - www.helukabel.pl

[ 3]. A. Białas, Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. F. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne, opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.

[ 4] S. Hansen i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives, Danfoss Drives A/S - 2002 E-mail: [e-mail]

[ 5] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych.

(Wyszukiwanie norm: http://www.pkn.com.pl )

[ 7] J. Szymański: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.

[ 8] A. Michalski, F. Szczucki i inni, Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.






7. Bezpieczeństwo użytkowania instalacji przemysłowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości w sieciach TN - S

Ochrona przeciwporażeniowa to techniczne i organizacyjne środki zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika. Zapobieganie występowaniu zwarć do obudów przemienników częstotliwości i połączonych z nimi maszyn roboczych ma podstawowe znaczenie dla bezpiecznej eksploatacji. Stosowanie reguł instalacyjnych właściwych dla tego rodzaju przekształtników prowadzi do zapobiegania zagrożeniom. Przede wszystkim należy stosować się do zaleceń i wymagań zawartych w dokumentacji technicznej urządzenia DTR, które obecnie musi mieć znak CE.

1. Napięciowy Przemiennik częstotliwości
   i sieć TN-S

Napięciowe przemienniki częstotliwości są obecnie powszechnie stosowane w napędach z regulowaną prędkością obrotową trójfazowych silników indukcyjnych. Głównie są to silniki klatkowe. Obszar zastosowań przemienników napięciowych gwałtownie się powiększa. Coraz częściej pojawiają się aplikacje przemysłowe z bezszczotkowymi silnikami prądu stałego z magnesami stałymi, które zasila się przemiennikami napięciowymi [1]. Obserwujemy szybko rosnącą sprzedaż tych urządzeń, przy jednoczesnym coraz większym zaawansowaniu technologicznym. Rozbudowywane są ich funkcje komunikacyjne, zabezpieczeń i sterowania. Postępująca miniaturyzacja elektronicznych układów sterowania umożliwia praktycznie dowolne kształtowanie cech użytkowych tych przekształtników. Często przejmują one rolę zewnętrznych sterowników PLC. Obwód mocy też podlega ciągłym modyfikacjom. Głównie ze względu na rozwój technologii wytwarzania falowników z tranzystorami IGBT. W aplikacjach z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości sterowane silniki osiągają już moce rzędu 1,5MW. Przemienniki stosowane są powszechnie zarówno w sieciach zasilania typu TN-S, jak i sieciach IT. W sieciach IT ochrona przeciwporażeniowa jest realizowana inaczej niż w sieciach TN-S. Zagrożenia eksploatacyjne występujące w sieciach IT są często inne niż w sieciach TN-S, dlatego nie można bezkrytycznie stosować tam zasad właściwych dla sieci TN-S. W niniejszej publikacji odnoszę się do zagadnień ochrony przeciwporażeniowej w napędowych instalacjach przemysłowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanych sieciami niskonapięciowymi typu TN-S.

2. Bezpieczna instalacja elektryczna

Zagadnienia bezpieczeństwa użytkowania przemiennika i ochrony przeciwporażeniowej można podzielić na trzy grupy: dotyczące producenta napięciowego przemiennika częstotliwości, projektanta instalacji napędowej z napięciowym przemiennikem częstotliwości i użytkownika tej instalacji.

Warunki techniczne jakie należy spełnić przy budowie przemiennika częstotliwości i zewnętrznej instalacji zasilania w zakresie ochrony przed porażeniem określone są normą obowiązkowego stosowania PN-IEC 60364. Jest to bardzo obszerny dokument i dotyczy wielu zagadnień skoordynowanego postępowania dla zapewnienia bezpiecznego użytkowania urządzeń elektrycznych. Zagadnienia ochrony od porażeń omawia jego część PN-IEC 60364.4.41, pt.: „Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przeciwporażeniowa”. Inne części tej normy omawiają ochronę dla zapewnienia bezpieczeństwa przed skutkami oddziaływania cieplnego, przed prądem przetężenowym, obniżeniem napięcia i przepięciami. W 2003 roku opublikowano normę EN 50178 pt.: Urządzenia elektroniczne do stosowania w instalacjach dużej mocy”. Napięciowe przemienniki częstotliwości należy traktować jako elektroniczne odbiorniki energii elektrycznej do stosowania w instalacjach dużej mocy, rys. 7.1.

Cechy charakterystyczne istotnie wyróżniające napięciowe przemienniki częstotliwości od innych typowych odbiorników energii, takich jak silniki indukcyjne zasilane bezpośrednio z sieci, i wpływających na zapewnienie bezpieczeństwa to:

• duży ładunek elektryczny zmagazynowany w baterii kondensatorów obwodu pośredniego proporcjonalny do mocy nominalnej przemiennika,

• podatność na uszkodzenia elementów elektronicznych i energoelektronicznych przemiennika przy pracy w niewłaściwych warunkach zasilania i chłodzenia,

• duże odległości między przemiennikiem częstotliwości i sterowanym silnikiem, osiągające kilkusetmetrowe długości.




1. Schemat blokowy układu mocy napięciowego przemiennika z silnikiem. A, B - miejsca zwarć doziemnych w zewnętrznej instalacji zasilania - układ sieci typu TN-S.

Napięciowy przemiennik częstotliwości powoduje, często trudne do usunięcia zaburzenia w sieci zasilania i otoczeniu. Mogą one zakłócić właściwą pracę znajdujących się w pobliżu innych urządzeń elektronicznych. Podwójna przemiana energii w trójczłonowym obwodzie mocy przemiennika: AC/AC=AC/DC+DC/DC+DC/AC, powoduje, że ma on inne własności na wejściach i wyjściach mocy.

1. Cyfrowe przetwarzanie mocy a zapewnienie bezpieczeństwa

Wejścia mocy przemiennika napięciowego dołączone są do sieci zasilania, a pojemnościowe obciążenie wejściowego prostownika diodowego 3f6d powoduje, że pobierany z sieci prąd ma charakter impulsowy. Dopasowane do mocy nominalnej zasilanego silnika, przemysłowe przemienniki napięciowe powodują najmniejsze odkształcenia prądu zasilania. Przy nominalnym obciążeniu silnika odkształcenie prądu sieci określone współczynnikiem harmonicznych THDi, wynosi zwykle ok. 40%. Jeśli dobiera się przemiennik aby dopuszczalne było krótkotrwałe jego przeciążenie momentem ok. 150%M_n, to w warunkach nominalnego obciążenia przemiennika THDi wynosi zwykle ok.120%. Przemiennikowe napędy pompowo-wentylacyjne najczęściej pracują przy silnym niedociążeniu, dlatego w tym przypadku THDi prądu zasilania także wynosi 120%.[2,3]. Ze względu na niesinusoidalny prąd wejściowy przemiennika klasyfikujemy go jako nieliniowy odbiornik energii, rys. 7.2.



A.
B


2. Przebiegi napięć i prądów w NPC:A. Napięcie i prąd fazowy zasilania NPC, B. Napięcie i prąd fazowy silnika zasilanego z NPC.

Często stosowane wyłączniki nadprądowe jako środki ochrony dodatkowej nie powinny być tutaj wykorzystane. Bezzwłoczne zadziałanie wyłącznika nadprądowego powoduje amplituda impulsu prądowego. Dla wyłącznika klasy B jego zadziałanie nastąpi przy prądzie (3-5)I_n. Zalecane do stosowania wkładki bezpiecznikowe typu gR są tak dobierane, aby ich zadziałanie, po dopuszczalnym czasie t_r (np. 0.4s), nastąpiło przy przepływie prądu ok. 2I_n. Zbyt duży prąd powodujący przepalenie wkładki bezpiecznikowej może spowodować znaczne uszkodzenia wewnątrz przemiennika i jego zapalenie. Pomiar impedancji pętli zwarcia na zasilaniu przemiennika częstotliwości określa zdolność zadziałania wkładki bezpiecznikowej jako środka dodatkowej ochrony przeciwporażeniowej, ale nawet odpowiednio mała jej wartość nie usprawiedliwia stosowania wkładek zwłocznych.

Wyjścia mocy przemiennika częstotliwości to wyjścia trójfazowego falownika dołączone zwykle bezpośrednio do silnika. Wyjściowe napięcie fazowe ma tutaj kształt przebiegu impulsowego. Częstotliwość impulsów tego napięcia zależy od częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika i osiąga w przemysłowych przemiennikach napędowych wartości do 5kHz. Zmieniające się widmo wyższych harmonicznych w wyjściowym napięciu fazowym, wraz ze zwiększaniem się częstotliwości harmonicznej podstawowej, nie powoduje istotnych zmian wartości prądów upływu pojemnościowego między przewodami fazowymi silnika a uziemionymi elementami instalacji. Dla zwiększenia sprawności silnika nowoczesne przemienniki napięciowe mogą mieć uaktywnione funkcje uzależniające wartość napięcia zasilania silnika od jego chwilowego obciążenia. W takich przypadkach widmo fazowego napięcia wyjściowego zależy też od obciążenia silnika, nie wpływa to jednak znacząco na prądy upływu. Wartość prądów upływu mocno zależy od wartości napięcia zasilania przemiennika i częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika.

Dla ograniczenia zewnętrznej emisji zaburzeń EM stosuje się ekranowane kable silnikowe, czasem zamiast kabli ekranowanych filtry wyjściowe LC. Przewód ochronny PE jest umieszczony wewnątrz ekranu kabla i zwykle ekran jest dwustronnie uziemiony razem z przewodem PE. Napięciowe przemienniki częstotliwości i silniki są urządzeniami w obudowach spełniających wymagania I klasy ochronności. Przy wystąpieniu niepełnego doziemienia napięcia zasilania silnika do ekranu kabla silnikowego lub obudowy silnika może nie nastąpić wyłączenie zasilania. Zwykle wyłączenie napięcia jest uzależnione od wartości prądu doziemnego i są to wartości wielokrotnie większe od prądu 30mA. Układ zabezpieczenia doziemnego napięciowego przemiennika częstotliwości pełni rolę zabezpieczenia przemiennika przed uszkodzeniem i przeciwpożarowego, a nie przeciwporażeniowego [4]. Należy pamiętać, że przy elektronicznym wyłączeniu przemiennego napięcia zasilania silnika przez przemiennik częstotliwości nie ma przerwy galwanicznej pomiędzy siecią zasilania przemiennika a silnikiem. W tym torze występuje duża rezystancyjna zablokowanych zaworów falownika.

Pełne doziemienie do obudowy silnika, które nie zostanie wyłączone przez przemiennik, spowoduje uszkodzenie falownika lub zadziałanie wkładki bezpiecznikowej już przy przepływie prądu rzędu 2I_n. Jeśli dochodzi do rozerwania falownika to powstaje widoczna przerwa galwaniczna pomiędzy uszkodzonym przemiennikiem i silnikiem (rys.7.3).




2. Rozerwany wskutek zwarcia falownik z modułem sterownika - 3x500A/1200V (SEMiX 703GD126HDc)

1. Zwarcie doziemne silnika - pętla zwarcia

Pęta zwarcia przebiega tutaj przez szybki bezpiecznik, przewodzącą diodę prostowniczą, przewodzący tranzystor IGBT, przewód ochronny i uziemiony punkt transformatora zasilania przemiennika. W pętli zwarcia występują trzy szeregowo połączone półprzewodnikowe elementy mocy. Wszystkie te elementy ulegają rozwarciu przy przepaleniu prądami zwarciowymi o wartości ok. 2I_n (rys. 7.4).

Jeśli silniki są dodatkowo uziemione w miejscu ich posadowienia, takie uziemienie można traktować jak połączenie wyrównawcze, zapobiegające wystąpieniu napięcia dotykowego większego niż długotrwale bezpieczne.

Niekiedy w instalacji stosuje się styczniki, umieszczone na zasilaniu przez bezpiecznikami, a także na wyjściach mocy przemiennika. Umożliwiają one zapewnienie galwanicznej przerwy między siecią zasilania i silnikiem np. dla przeprowadzenia czynności naprawczych lub konserwacyjnych przemiennika. Styczniki te należy dobierać dla warunków pracy w klasie AC1.

Stosowanie przeciwporażeniowych wyłączników różnicowoprądowych praktycznie uniemożliwia poprawną pracę instalacji. Pojemnościowe prądy upływu w takich instalacjach typowo mają wartości ok.100mA, a w instalacjach z silnikami średnich mocy mogą znacznie przekraczać wartości 500mA. Prądy te zależą głównie od rodzaju, długości i przekrojów kabli silnikowych, metody formowania wyjściowego napięcia fazowego przemiennika. Napięcie to jest charakteryzowane: rodzajem modulacji MSI, częstotliwością przełączania zaworów falownika f_p, stromością narastania impulsów napięciowych du/dt, jak również przepięciami powstającymi od impulsów napięciowych.




3. Przebieg pętli zwarcia przy doziemnego obudowy silnika w instalacji
   z napięciowym przemiennikiem częstotliwości.

1. Instalacja elektryczna zgodna z EMC

Zjawiska zachodzące na wejściach i wyjściach mocy napięciowego przemiennika częstotliwości należy wziąć pod uwagę projektując instalacje zasilającą napęd silnika i spełniającą dodatkowo wymagania EMC. Nie można tu przenosić postępowania typowego dla tradycyjnych liniowych odbiorników energii, dla których budowa instalacji zasilającej nie powoduje większych trudności [5], rys. 7.5.




4. Instalacja elektryczna z przemiennikiem napięciowym częstotliwości wykonana zgodnie z zasadami EMC.

1. Znak CE i obowiązek podania dokładnych zasad budowy instalacji elektrycznej w DTR

Obowiązkowa certyfikacja znakiem CE dopuszczonych do obrotu urządzeń elektrycznych nakłada na producenta obowiązek wykonania urządzenia zgodnie z zasadami zapewniającymi użytkownikowi bezpieczeństwo eksploatacyjne, w tym także zapewnienie właściwej ochrony przeciwporażeniowej. Zadeklarowane tym znakiem jest spełnienie wymagań dyrektywy niskonapięciowej LVD dla urządzeń zasilanych napięciami przemiennymi z drugiego zakresu napięć niskich, tj napięciami fazowymi z przedziału: 50V ∠ Uf ∠ 600V. Spełnienie dyrektywy niskonapięciowej LVD obejmuje wszystkie rodzaje ryzyka wynikające z użytkowania przemiennika częstotliwości, a więc także cieplne, mechaniczne i chemiczne. Na producencie ciąży także wykonanie i dostarczenie przy wyrobie dokumentacji technicznej precyzyjnie określającej warunki dołączenia przekształtnika do sieci zasilania i silnika. DTR określa wartości i rodzaje zabezpieczeń odwodów wejściowych przemiennika, przekroje rodzaje i długości kabli silnikowych oraz ich sposób połączenia. Jeśli potrzebne informacje podane są niezrozumiale lub niejednoznacznie, należy w pierwszej kolejności zwrócić się o nie do producenta (dostawcy) przemiennika częstotliwości. Niekiedy odstępstwa od DTR mogą prowadzić do nieprzewidywalnych skutków ze zwiększeniem ryzyka porażeniowego włącznie. Czasami wewnątrz zakładowe przepisy, stosowane zwyczajowo dla instalacji z napędowych z silnikami zasilanymi bezpośrednio z sieci, przenosi się na instalacje napędowe z przemiennikami napięciowymi, np. przewymiarowuje się przekroje długich kabli silnikowych, co skutkuje głównie niekorzystnym powiększeniem prądów upływu doziemnego i kosztu instalacji.

Znakowanie CE wyrobu energoelektronicznego wytwarzanego przez renomowanych producentów państw UE daje nam pewność, że zastosowane zostały odpowiednie procedury produkcyjne, minimalizujące ryzyko zwarć doziemnych i innych ryzyk przy powstaniu awarii wewnętrznych przemiennika, dzięki temu nie musimy zastanawiać się nad procedurami zabezpieczającymi poprawną pracę urządzenia. Projektant (instalator) ma obowiązek stosować się przy budowie instalacji zasilania postanowień w tym zakresie zawartych w DTR. Odstępowanie od tych zasad może nastąpić jedynie w uzgodnieniu z producentem (dostawcą) przemiennika. Zwykle wewnętrzne układy zasilania obwodów sterownia przemiennika spełniają wymagania bezpieczeństwa PELV. Przy niewłaściwej instalacji zasilania przemiennika można nie zachować poziomu bezpieczeństwa PELV tych obwodów.

Użytkownik może bezpiecznie eksploatować instalację z przemysłowymi przemiennikami napięciowymi jeśli postępuje zgodnie z ogólnie obowiązującymi zaleceniami przy pracach z urządzeniami elektrycznymi. Nie dopuszczalne jest dołączanie obwodów mocy przemiennika do sieci zasilania przy otwartej lub usuniętej obudowie zewnętrznej, tj. osłabieniu lub usunięciu ochrony podstawowej urządzenia. Stosowane procedury budowy instalacji napędowych wydają się w sposób właściwy zapewniać ochronę przed porażeniem, gdyż mimo gwałtownego wzrostu ilości przemienników napięciowych w instalacjach napędowych, wg wiedzy autora, nie znane są tu przypadki poważnych porażeń odnotowanych jako wypadki przy pracy.

2. Literatura DO ROZDZIAŁU

[1]. Z. Goryca: Niskonapięciowy wolnoobrotowy napęd z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego.
Napędy i Sterowanie, Nr 7/8,2006

[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr 2(8),2005

[3]. J. Szymański: Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV. Komel'2004 - XIII Seminarium Techniczne. Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych. 19-21.V.2004, Ustroń.

[4]. J. Szymański: Badania zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny nr 2, 2000

[5]. E. Musiał: Zabezpieczenie silników zasilanych z pośrednich przemienników częstotliwości. Biuletyn SEP INPE, 2004, nr 59-60






8. Zagrożenia bezpieczeństwa w instalacjach napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości w sieciach IT

W górnictwie powszechnie stosuje się układ sieci zasilającej IT. Coraz częściej występują też napędy z silnikami asynchronicznymi zasilanymi napięciowymi przemiennikami częstotliwości. Zwykle są to napędy zastępujące dotychczas stosowane silniki prądu stałego w napędach jazdy maszyn wydobywczych, czy silniki pierścieniowe w napędach powierzchniowych przenośników taśmowych. Sieć zasilająca IT stwarza napięciowym przemiennikom częstotliwości inne warunki pracy niż sieć TN-S.

1. Przemienniki napięciowe zasilane sieciami IT

Sieci IT do zasilania układów napędowych są stosowane w Polsce głównie w górnictwie (rys. 8.1). W sieciach tych prądy zwarć doziemnych nie mają dużych wartości i możliwa jest praca przy doziemieniu jednej fazy napięcia zasilania - te cechy zasadniczo odróżniają ten system zasilania od systemu TN. Zasilanie wielosilnikowych napędów jazdy maszyn górniczych jest związane z dużymi wymaganiami regulacyjnymi i niezawodnością napięciowych przemienników częstotliwości. Np. zapewnienie synchronicznej pracy dwóch silników połączonych ze sztywnym wałem napędowym jednej gąsienicy w koparce czy zwałowarce mającej kilka gąsienic, wymaga specjalnych funkcji sterowniczych od przemienników. Instalacja ich zasilania musi być dostosowana do pracy przemienników obciążonych momentem silnikowym i generatorowym. Pokonanie momentu bezwładności J[Nm] w czasie przyśpieszania maszyn powoduje konieczność znacznego przewymiarowania przemienników i silników [Me=Mb+J(dω/dt)]. Waga gąsienicowych maszyn górnictwa odkrywkowego zwykle przekracza 1000 ton. Jedna z największych koparek górniczych wyprodukowana przez firmę niemiecką Krupp typu SCHRS4600 pracuje w KWB w Bełchatowie i ma masę 7200 ton. Jej napęd jazdy jest zbudowany z 8 nieskrętnych i 6 skrętnych gąsienic umocowanych do sztywnej konstrukcji maszyny.

Długie linie kablowe układane na ziemi powodują, że sieć IT - 6kV cechuje się dużą indukcyjnością. Po obniżeniu tego napięcia do wartości niskich np. 3x500V, z jednego transformatora zasilane są odbiorniki o mocach rzędu megawatów.




1. Sieć IT z układem monitorowania rezystancji izolacji

Moc jednej stacji zasilania z zespołami napędowymi powierzchniowych przenośników taśmowych z niskonapięciowymi przemiennikami częstotliwości osiąga wartości do 2MW. Duże moce jednostkowe odbiorników przekształtnikowych mocno wpływają na odkształcenia napięcia zasilania. Bezpośrednie przyłączanie lub odłączanie w tej sieci odbiorników silnie indukcyjnych lub pojemnościowych (baterie kompensacyjne) także powoduje duże chwilowe zniekształcenia napięć międzyfazowych (rys. 8.2). Zniekształcenia napięcia zasilania mogą powodować doładowanie baterii kondensatorów obwodu pośredniego przemiennika do niedozwolonej wartości napięcia stałego. Taki stan może wystąpić wtedy, gdy przemiennik jest dołączony do sieci zasilania a dołączony do niego silnik jest zatrzymany. Tj. przy braku obciążenia przemiennika. Przemienniki zasilane z sieci o dużych chwilowych zniekształceniach napięcia należy wyposażyć w obwody szybkiego rozładowywania baterii kondensatorów np. przerywacze prądu (chopper) obciążone rezystorami odpowiednio małej wartości i mocy, np. 10Ω/400W. Jeśli przerywacze są dodatkowo wykorzystywane do rozpraszania energii, przesyłanej do obwodu DC przemiennika w czasie pracy generatorowej silnika, np. przy jeździe z góry maszyny gąsienicowej to trzeba zastosować rezystory większych mocy. Rezystory chłodzone powietrzem, pracujące w cyklu T=300s, mogą rozpraszać moc nominalną przemiennika przez 10%, 20% lub 40% czasu cyklu T. W przemiennikach bez przerywaczy prądu można zastosować podłączone na stałe rezystory rozładowywania baterii DC do zacisków napięcia stałego prostownika o mocy ok. 100W. Rezystancja tego rezystora wynika z napięcia zasilania przemiennika.

U_d=1.42U_L1, U_d=1.42x500V=710V, R[Ω]=U_d²/P=710²/100=5kΩ

W przemiennikach większych mocy stosowane są 6-pulsowe półsterowane mostki prostowników głównych. Umożliwia to blokowanie prostownika głównego na czas wstępnego ładowania baterii kondensatorów DC przez niesterowany prostownik wstępnego ładowania (rys. 8.3). Takie rozwiązanie obwodu wejściowego przemiennika umożliwia blokowanie dopływu prądu do baterii kondensatorów, po przekroczeniu dopuszczalnego napięcia baterii w czasie postoju silnika.

Przy uziemieniu filtru RFI (Radio Frequency Interference) obwodu pośredniego przemiennika, znanego także pod nazwą filtru EMC (Electro Magnetic Compatibility Filtr) (rys. 8.3), nawet krótkotrwałe doziemienie jednej fazy napięcia zasilania przemiennika, może spowodować konieczność zablokowania przewodzenia prądu przez prostownik główny. Np. przez zablokowanie tyrystorów w mostku prostownika lub zastosowania innych rozwiązań uniemożliwiających narastanie napięcia w baterii DC przemiennika. Zagadnienia te będą omówione precyzyjniej w dalszej części artykułu.




2. Chwilowe odkształcenie przebiegów napięć międzyfazowych i prądu fazowego napięciowego przemiennika częstotliwości, zasilanego z sieci IT, w czasie załączenia kompensatora mocy biernej

Brak ochrony baterii DC przemiennika może doprowadzić do uszkodzenia obwodów mocy. Powstające w sieci zasilania odkształcenia napięcia często prowadzą do wystąpienia niedopuszczalnej wartości napięcia na baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika. W napędach maszyn górniczych przemienniki pracują często w ekstremalnych warunkach środowiskowych, przy dużym zapyleniu pyłem węglowym, zawilgoceniu, wysokich temperaturach i dużych drganiach maszyn, na których umieszczone są kontenerowe stacje zasilania z przemiennikami. Ważnym zagadnieniem jest tutaj sposób rozwiązania chłodzenia przemienników, gdyż ogrzane powietrze chłodzenia radiatorów przemienników częstotliwości nie może być ponownie skierowane do kontenera w którym są zainstalowane.

1. Nieuziemiony filtr RFI stopnia pośredniego przemiennika nie oznacza braku zagrożenia porażeniem.

Instalacja zasilania napięciowych przemienników częstotliwości w sieciach IT może występować w dwóch podstawowych konfiguracjach. Z włączonym lub wyłączonym uziemieniem filtru RFI stopnia pośredniego przemiennika (rys. 3).




3. Instalacja zasilania z sieci typu IT napięciowego przemiennika częstotliwości
   w układzie napędu silnika klatkowego, z niewłączonym filtrem RFI stopnia pośredniego

Można przyjąć zasadę, że dla przemienników o mocy powyżej 100kW należy zamknąć włącznik uziemienia filtru RFI w stopniu pośrednim, a w przemiennikach mniejszych mocy i krótkich kablach silnika może on być rozwarty.

Zakłócenia występujące w sieci zasilania przy wyłączonym uziemieniu filtru RFI przemiennika średniej mocy prowadzą do uszkodzeń tych przemienników i uniemożliwiają właściwą pracę innych urządzeń elektronicznych zainstalowanych w pobliżu. Na rys. 8.4 przedstawiono zarejestrowane w rzeczywistych warunkach zakłócenia napięcia zasilania przemiennika z wyłączonym filtrem RFI, wskutek prądów upływów pojemnościowych. Przeprowadzone przez autora badania symulacyjne potwierdzają zależność pomiędzy wielkością pojemności upływu a amplitudą przepięć w napięciu zasilania (rys. 8.5).

Uziemienie filtru RFI może prowadzić do wzrostu napięcia w obwodzie DC przemiennika powyżej dozwolonych wartości, które mogą doprowadzić do jego uszkodzenia. W czasie doziemienia jednej fazy napięcia zasilania przemiennika, napięcie w stopniu pośrednim może osiągnąć wartość 2x U_dc. Aby ograniczyć to niebezpieczeństwo można w sieciach IT z przemiennikami mniejszych mocy nie uziemiać filtru RFI.

Jeśli przemiennik częstotliwości ma wyłączony filtr RFI (odłączony od uziemienia) to nie oznacza to, że można uznać zasilanie przemiennika jako separowane względem ziemi. Doziemienie wyjściowego napięcia fazowego przemiennika spowoduje przepływ zwiększonego wysokoczęstotliwościowego impulsowego prądu upływów pojemnościowych od miejsca doziemienia przez transformator do wejść mocy przemiennika. Takie doziemienie nie jest rejestrowane przez urządzenia kontroli stanu izolacji sieci IT, zwanych izometrami, (rys. 8.1). Wartości tych prądów nie spowodują też zadziałania wewnętrznych zabezpieczeń przemiennika przed doziemieniem. W przemiennikach małych mocy prądy doziemne na wyjściu przemiennika powodujące ich zadziałanie mają wartości ok. 600mA.







4. Zmierzone przepięcia na zasilaniu napięciowego przemiennika częstotliwości bez uziemionego filtru RFI (napięcia międzyfazowe). Przemiennik napięciowy 350kW/500V, ekranowany kabel silnika o długości ok. 50m







5. Przepięcia na zasilaniu napięciowego przemiennika częstotliwości bez włączonego uziemienia filtru RFI zasilanego siecią typu IT - 3x500V, uzyskane w symulacji przy założeniu sprzężenia pojemnościowego między wejściem zasilania i wyjściem mocy przemiennika o wartości 10nF

Filtr RFI obwodu pośredniego ma ważną rolę przy tłumieniu zakłóceń powodowanych pracą części falownikowej przemiennika częstotliwości. Nie należy go mylić wejściowym filtrem RFI, zwykle nie stosowanym w sieciach IT, z powodu nieskutecznie filtrowanych zakłóceń wspólnych,(odłączone od uziomu kondensatory C_y). Kable silnikowe są zwykle ekranowane, np. z grupy kabli górniczych. Ekran kabla jest zwykle dwustronnie uziemiony, jednak dla kabli dłuższych, powyżej 50m, należy rozważyć jednostronne uziemienie ekranu kabla tylko przy przemienniku częstotliwości. Ekranowane kable silnikowe cechują się zwiększonymi prądami upływu doziemnego w stosunku do kabli nieekranowanych. Przy ich większych długościach i przekrojach, wzrastają zakłócenia powodujące przepięcia napięcia zasilania, dlatego w przemiennikach większych mocy istnieje konieczność włączenia filtru RFI. Częstotliwość przepięć napięcia zasilania wynika z częstotliwości przełączania tranzystorów IGBT falownika przemiennika częstotliwości i zwykle w przemiennikach napędowych wynosi 3-4.5kHz.

1. Włączony filtr RFI stopnia pośredniego przemiennika to zwiększone zagrożenie porażeniowe.

Włączenie filtru RFI stopnia pośredniego praktycznie eliminuje zakłócenia zasilania powodowane upływami pojemnościowymi. Tym samym poprawia się EMC (Electro Magnetic Capability) w otoczeniu instalacji napędu przemiennikowego, (rys. 8.6).

Przy załączonym filtrze RFI potencjał punktu zwarcia uzwojeń stojana silnika ma wartość średnią równą potencjałowi ziemi. Jednak chwilowe napięcie między uziomem a zwartymi uzwojeniami silnika ma przebieg fali prostokątnej o amplitudzie równej połowie napięcia U_dc, (rys 8.7).

Stosowane powszechnie izolowanie łożysk silnika nie zmniejsza impulsowego prądu upływu doziemnego powstającego wskutek tego napięcia. Izolowanie łożyska uniemożliwia przepływ prądów wyładowczych EDM (Electric Discharge Machining) między bieżniami łożyska nie dopuszczając do jego przyśpieszonego zużycia.

Wyjściowe napięcie fazowe przemiennika, ma charakter fali prostokątnej a szerokość impulsów zależy od wartości częstotliwości harmonicznej podstawowej tego napięcia. Wystąpienie doziemiena na zasilaniu silnika spowoduje przepływ impulsowego prądu zwarciowego przedstawionego na rys. 6.

W typowych warunkach eksploatacji przemienników napięcia te nie stanowią zagrożenia dla użytkownika, gdyż są to miejsca instalacji, które są niedostępne bez usunięcia zabezpieczeń zewnętrznych, czyli uziemionych obudów urządzeń.






6. Przy włączonym filtrze RFI, pełne zwarcie doziemne silnika powoduje przepływ prądu impulsowego w pętli zwarcia, co powinno spowodować zadziałanie wewnętrznych zabezpieczeń przemiennika, zatrzymanie pracy falownika i pozostawienie silnika w stanie beznapięciowym (hamowanie wybiegiem)





7. Napięcie między uziemieniem a miejscem zwarcia uzwojeń stojana silnika - Vm[V] oraz między uziemieniem i wyjściem mocy przemiennika - Vo[V]. Częstotliwość harmonicznej podstawowej napięcia silnika wynosi 50Hz, modulacja PWM, przy napięciu międzyfazowym zasilania przemiennika U_L1-L2=500V.

Przy wystąpieniu doziemienia po stronie silnika w pętli zwarcia występuje przewodzący w danej chwili tranzystor IGBT falownika i kondensator filtru RFI, rys. 6. Prąd zwarciowy ograniczony jest jedynie impedancją kondensatora filtru RFI dla częstotliwości przełączania kluczy falownika f_p. Przy typowych wartościach kondensatorów filtru RFI: C3=C4=0.15μF, prądy zwarciowe mogą osiągnąć wartość skuteczną do kilku amperów. Układ ochrony przemiennika powinien go wykryć i spowodować zablokowanie tranzystorów mocy falownika. Przemienniki większych mocy mogą jednak nie rozpoznawać tego doziemienia ze względu na relatywnie małą wartość prądu doziemnego w stosunku do prądu nominalnego przemiennika.

Z przeprowadzonej analizy wynika, ze skutecznym środkiem ochrony przeciwporażeniowej jest poprawne wykonanie uziemień ochronnych obudowy przemiennika i silnika, gdyż inne zabezpieczenia mogą okazać się nieskuteczne. W zespołach napędowych większych mocy poziom zakłóceń wzrasta proporcjonalnie do ilości zastosowanych przemienników, dlatego włączanie filtru RFI obwodu pośredniego ma podstawowe znaczenie dla właściwej pracy instalacji (rys. 8.8).




8. Miejsca rozpływu prądów upływów pojemnościowych w stacji zasilania wielosilnikowego napędu z przemiennikami zasilanych jednym transformatorem z sieci IT

1. Włączony filtr RFI stopnia pośredniego przemiennika to zagrożenie uszkodzenia przemiennika przy doziemieniu fazy napięcia zasilania

Przy włączonym filtrze RFI obwodu pośredniego istnieje niebezpieczeństwo uszkodzenia napięciowego przemiennika częstotliwości, gdy wystąpi doziemienie na jego zasilaniu.

Ponieważ pojedyncze doziemienie instalacji zasilania nie stwarza zagrożenia przeciwporażeniowego, a dla zmniejszenia strat gospodarczych często ważne jest, aby przerwa w zasilaniu wydzielonego zespołu maszyn, nastąpiła w sposób kontrolowany. Dalsze działania z wykrytym doziemeiniem są uzależnione od wewnętrznych instrukcji zakładowych.

Doziemienie fazy napięcia zasilania zwykle występuje, gdy z transformatora zasilającego przemiennik także zasilane są inne odbiorniki, np. zwalniaki silników (rys. 8.9). Doziemienie na zasilaniu jest szczególnie niebezpieczne dla przemiennika jeśli występuje w chwili podania napięcia na jego obwód mocy. W momencie zasilenia przemiennik jest nieobciążony, a zabezpieczenia elektroniczne przemiennika przed nadmiernym napięciem baterii kondensatorów obwodu pośredniego nie są jeszcze aktywne.




9. Doziemienie napięcia fazowego zasilania przemiennika poprzez załączenie silnika A z uszkodzoną izolacją między uzwojeniem fazowym a uziemionym korpusem silnika

Jeśli przemiennik jest nieobciążony, to doziemienie fazy zasilania może spowodować wzrost maksymalnego napięcia na kondensatorach filtru RFI (C3, C4) do wartości napięcia baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika U_dc. W konsekwencji to może doprowadzić do naładowania baterii elektrolitycznych kondensatorów DC (C1, C2) do wartości dwukrotnie wyższej od normalnych warunków pracy przemiennika. W takiej sytuacji nastąpi przekroczenie dopuszczalnej wartości napięcia dla stopnia pośredniego przemiennika i uszkodzenie falownika lub baterii kondensatorów. Przebieg napięcia na kondensatorach filtru FRI C3 i C4 oraz na baterii kondensatorów stopnia pośredniego przemiennika przy doziemieniu napięcia fazowego przedstawia rys. 8.10. Powstaje efekt pompowania energii przez kondensatory filtru RFI do baterii kondensatorów. Szybkość narastania napięcia na baterii kondensatorów DC przemiennika zależy pojemności baterii i pojemności kondensatora filtru RFI. W przeprowadzonej symulacji napięcie baterii kondensatorów elektrolitycznych w obwodzie DC (pojemność 600μF) nieobciążonego przemiennika, zasilanego napięciem 3x500V, osiągnęło 0.9kV po 10 okresach napięcia zasilania (C3=C4=15 μF). Na podstawie danych z symulacji można wyliczyć, że napięcie baterii przemiennika małej mocy (C_DC=600μF, C_3,4=0.15μF) osiągnie wartość 900V po 20 sekundach. To samo napięcie wystąpi na baterii kondensatorów przemiennika o mocy 150kW, z pojemnością baterii DC 36mF i pojemnością kondensatora filtru RFI 0.15μF, po czasie. 20min. od podania napięcia na obwód mocy. Z obliczeń wynika, że przemienniki małej mocy narażone na szybki wzrost napięcia baterii kondensatorów obwodu DC ponad dozwoloną wartość przy doziemieniu napięcia fazowego. Może to prowadzić do ich zwiększonej awaryjności, dlatego nieuziemianie filtru RFI obwodu pośredniego jest tu uzasadnione.





10. Symulacja przebiegu napięcia baterii kondensatorów stopnia DC, o pojemności 600μF, nieobciążonego przemiennika zasilanego z sieci IT 3x500V, przy pełnym doziemieniu fazy napięcia zasilania i włączonym filtrze RFI, dla C3=C4=15 μF. Odpowiednio dla przemiennika nieobciążonego i obciążonego

Włączenie odpowiednio dużego obciążenia przemiennika powoduje szybkie rozładowywanie nadmiarowej energii dostarczanej do baterii kondensatorów z pojemności filtru RFI i nie następuje efekt wzrostu napięcia baterii przy doziemieniu napięcia fazowego zasilania przemiennika. Dla ograniczenia wpływu doziemień na zasilaniu przemiennika można stosować różne metody rozładowywania baterii DC, jeśli jej napięcie przekroczy dopuszczalną wartość. W tym celu można wykorzystać przerywacz prądu przemiennika. Jeśli nie jest on stosowany do wytracania energii w czasie hamowania generatorowego silnika, to wystarczy do niego dołączyć rezystor: 20kΩ/24W dla C_RFI=0,15uF i U_L1-L2=500V [Z_C=1/ωC₃, gdy Z_C=R, to P_R=(U_dc)²/R, gdzie U_dc=1,73x1.42xU_f]. Jeśli tak mały rezystor nie jest właściwie identyfikowany jako obciążenie przerywacza przemienników większych mocy, to można powiększyć i zastosować np. 10Ω/400W. W innym przypadku można ten rezystor dołączyć na stałe do zacisków wyjściowych prostownika, kosztem sprawności przemiennika . Można też uaktywnić w przemienniku funkcje podgrzewania silnika prądem stałym w czasie jego postoju, co powoduje rozładowywanie baterii DC przemiennika. Jeśli dostępna jest możliwość blokowania przepływu prądu przez wejściowy prostownik- główny, to należy zablokować przewodzenie prądu w prostowniku powyżej określonej wartości napięcia w obwodzie CD przy nieobciążonym przemienniku, czyli na postoju silnika.

1. Wspólna sieć napięcia stałego przemienników napięciowych

W wielosilnikowych układach napędowych z przemiennikami częstotliwości często istnieje potrzeba zastosowania połączenia obwodów stałonapięciowych przemienników częstotliwości. Takie rozwiązanie może być stosowane dla napędu dwusilnikowego o dużych momentach bezwładności, gdy w tym samym czasie wał napędowy jednego silnika jest hamowany, a drugiego rozpędzany. Wówczas jeden silnik wytwarza moment silnikowy M_e, a drugi moment generatorowy M_g. (rys.8.11). Między przemiennikami częstotliwości z połączonymi obwodami stałonapięciowymi następuje wymiana energii (load sharing), co prowadzi do odzysku energii silnika pracującego generatorowo.




11. Przykładowa realizacja dwusilnikowego napędu z przemiennikami napięciowymi
    o połączonych obwodach stałonapięciowych. Silnik MA hamuje jeden wał napędowy, a silnik MB rozpędza drugi wał napędowy maszyny. Hamowanie i rozruch wałów napędowych rozpoczynają się w tym samym czasie

Przy braku takiej sieci konieczne byłoby zastosowanie przerywacza prądu i wytracenia tej energii na rezystorze hamowania. W napędach wchodzących często w tryb pracy generatorowej stosowane są układy przetwarzania energii napięcia stałego obwodu pośredniego przemiennika na napięcie przemienne i jej zwrot do sieci zasilania.

Zastosowanie układu wspólnej sieci DC przemienników nie jest rozwiązaniem kosztownym, a zapewnia poprawną pracę przemienników w sieci IT przy występowaniu omawianych zakłóceń. W grupie kilku przemienników połączonych siecią DC wystarczy jeden przemiennik z przerywaczem prądu i rezystorem rozładowczym np. 10Ω/400W, aby wyeliminować niebezpieczeństwo ich uszkodzeń z powodu doziemień zasilania lub przepięć. Zagrożenia poprawnej pracy przemienników napięciowych zostają praktycznie wyeliminowane przy zastosowaniu rozwiązań przedstawionych w opracowaniu. Podobne trzeba postępować w przypadku zasilania przemienników napięciowych z sieci TT.

Należy zaznaczyć, że zagadnienia EMC ujęte w normach dotyczą sieci TN. Jednak praktyczne doświadczenia autora i przeprowadzona analiza potwierdzają, że filtr RFI obwodu pośredniego przemiennika napięciowego jest tak samo skuteczny w sieciach IT. Przy pracy przemienników częstotliwości z odłączonym filtrem RFI obwodu pośredniego należy dodatkowo rozważyć czy zachowane jest zasilanie typu PELV w obwodach sterowania przemiennika częstotliwości. W opracowaniu nie omawiano wpływu wejściowego filtru RFI na pracę przemiennika, gdyż zwykle nie jest on stosowany w układzie sieciowym IT. Jeśli jednak przemiennik jest w taki filtr wyposażony to tylko poprawia on EMC powodując jednak zwiększenie prądów upływu na zasilaniu przemiennika. Jest to interpretowane przez izometry (Isolation Monitoring Devices) jako zmniejszenie rezystancji izolacji. Ponadto jest ryzyko uszkodzenia kondensatorów Cy tego filtru przy doziemieniu napięcia fazowego zasilania. Z tych powodów często trzeba te filtry odłączyć od uziemienia.

1. podsumowanie

Intensywny rozwój nowoczesnych układów napędowych ma duży wpływ na gospodarkę krajów rozwiniętych. Wpływ ten stale się zwiększa, dając przy tym znaczne oszczędności związane z zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Istotnym staje się więc znajomość projektowania i wykonywania układów napędowych zgodnie z wymogami międzynarodowych norm dotyczących kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Umiejętność konstruowania nowych, coraz doskonalszych układów napędowych, prowadzi do zmniejszenia uciążliwości ich stosowania, a tym samym do coraz szerszego ich użytkowania.

Wymagania dotyczące uzyskania przez układ napędowy odpowiedniego poziomu kompatybilności elektromagnetycznej, wpływają na zwiększenie kosztów układu, należy jednak pamiętać, że koszty te są dużo mniejsze w fazie projektu niż jako późniejsze zmiany w gotowym układzie.

Zagadnienia kompatybilności elektromagnetycznej są istotne zarówno dla małych, jak i dużych firm, zwłaszcza przy wprowadzaniu nowych przemienników do układów napędowych. Aby sprostać konkurencji, muszą one spełniać wiele wymagań, w tym także związanych z EMC. Te ostatnie nabierają coraz większego znaczenia, ponieważ występują jako wymagania obligatoryjne w dyrektywach Unii Europejskiej. Układy napędowe zaprojektowane i skonfigurowane bez uwzględnienia postanowień norm światowych (IEC, EN) omówionych w niniejszej pracy, nie będą miały w przyszłości żadnych szans zbytu zarówno w Unii Europejskiej, jak i w innych krajach rozwiniętych.

W początkowej części pracy opisano zasady budowy przemiennikowego układu napędowego, zgodnego z wymogami EMC. Omówione zostały również parametry sieci zasilającej i ich wpływ na układ napędowy, jak też główne przyczyny pogarszania współpracy układu: sieć zasilająca - przemiennik częstotliwości - silnik. Jako sposoby niwelowania negatywnych czynników tej współpracy, opisane zostały przykładowe układy zmniejszania negatywnego oddziaływania odbiorników na sieć. W dalszej części pracy został omówiony układ wykorzystujący filtr LC, do uzyskania sinusoidalnego napięcia silnika zasilanego z przemiennika częstotliwości PWM. Przeprowadzone badania na rzeczywistym układzie: przemiennik częstotliwości - filtr LC - silnik, potwierdziły słuszność stosowania filtrów LC do uzyskania sinusoidalnego napięcia zasilania silnika.

Kolejne rozdziały opracowania zostały poświęcone napięciowym przemiennikom częstotliwości PWM o ulepszonej współpracy z silnikiem. Po porównaniu własności przemienników o stałej, jak też regulowanej wartości napięcia stałego w obwodzie pośrednim, zostały przedstawione korzyści z zastosowania rozwiązania z regulowanym napięciem w obwodzie pośrednim. Przedstawiono również koncepcję wykorzystania trapezowego impulsu sterowania zaworów falownika, dającą dodatkowe ograniczenie wartości du/dt i U_p. Zaproponowane rozwiązania umożliwiają pracę silnika przy zmniejszonej zawartości wyższych harmonicznych w napięciu zasilania. Końcowa część opracowania została poświęcona modelowaniu układu wejściowego przemiennika częstotliwości w oprogramowaniu SIMPLORER. Z uwagi na ograniczoną ilość elementów, wersji demo, nie możliwa była symulacja pełnego układu przemiennika. Symulacja została ograniczona do zbadania wpływu wartości parametrów filtru LC, na wyjściu trójfazowego prostownika diodowego, na tłumienność amplitudy pulsacji napięcia i prądu wyjściowego prostownika. Obciążenie rezystancyjne filtra LC obwodu pośredniego symuluje pracę falownika.

Opracowanie zawiera wnioski i zalecenia do budowy układów napędowych z przemysłowymi przemiennikami napięciowymi zapewniającymi spełnienie wymagań EMC w stosunku do sieci zasilania jak i silnika.

Nowe propozycje budowy układu mocy przemiennika z regulowanym napięciem obwodu pośredniego może stać się w przyszłości powszechnie stosowanym rozwiązaniem w napędach o ograniczonych wymaganiach dynamicznych.

2. Literatura dO ROZDZIAŁU

[1]. J.Szymański: Bezpieczeństwo użytkowania instalacji przemysłowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości. ElektroInfo 10/2006

[2]. J. Szymański: Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników częstotliwości. Politechnika Radomska, Prace Naukowe Elektryka nr 2(8),2005

[3]. J. Szymański: Ochrona przeciwporażeniowa instalacji napędowych z napięciowymi przemiennikami częstotliwości zasilanymi z sieci TN-S do 1kV. Komel'2004 - XIII Seminarium Techniczne. Problemy Eksploatacji Maszyn i Napędów Elektrycznych. Ustroń, 19-21.V.2004

[4]. A. Kępski, B. Smoleński: Prądy łożyskowe w układach napędowych z falownikami PWM. Napędy i Sterowanie nr 12/2006

[5]. S. Ogasawara, H. Akagi: Modeling and Damping of High-Frequency Leakage Current in PWM Inverter-Fed AC Motor Drive Systems. IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 32, pp. 1105-1114, Sep. 1996

[6]. K. Bimalk Bose: Modern power electronics and ac drives. Prentice Hall PTR 2002

9. Bibiografia UZupełniająca

[1 ] Winter R.: Kompatybilność elektromagnetyczna napędów elektrycznych z przekształtnikami częstotliwości. Napędy i Sterowanie 1999.

[2 ] Koczara W.: Metody i układy ograniczenia negatywnego oddziaływania napędu na sieć i na inne odbiorniki. Materiały konferencyjne ONS'95, Listopad 1995.

[5 ] Winter R.: Ograniczenie emisji zakłóceń elektromagnetycznych w napędach z przekształtnikiem częstotliwości. Napędy Przemysłowe NP'99.

[6 ] Kowalski Z.: Cechy i parametry jakościowe energii elektrycznej. Jakość i Użytkowanie Energii Elektrycznej 1995.

[7 ] Pierzgalski W.: Diagnostyka odkształceń przebiegów napięć i prądów w sieciach elektroenergetycznych niskiego i średniego napięcia. Napędy i Sterowanie - Elektroinstalacje Gdańsk 2000.

[8 ] Nowak M.: Jakość energii elektrycznej - problem dla energoelektroniki przełomu stuleci. Napędy i Sterowanie 1999.

[9 ] Sroka J.: Zasady projektowania, budowy i montażu urządzeń, oraz systemów przemysłowych przyjaznych kompatybilności elektromagnetycznej. Kompatybilność Elektromagnetyczna w Przemyśle. Warszawa 08.06.2000.

[10 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP'99.

[11] Strzelecki R., Supronowicz H.: Kompensacja wyższych harmonicznych prądów w układzie hybrydowym złożonym z filtrów biernych. Przegląd elektroenergetyczny 1998.

[12] Borowski W.: Poprawa jakości energii elektrycznej. Wiadomości Elektrotechniczne nr 12/788 1999.

[13] Gmyrek Z., Jabłoński M.: Układy zmniejszające oddziaływanie prostownika wejściowego falownika MSI na sieć zasilającą. SENE'99.

[14] Mitew E., Szymański J.: Napięciowy przemiennik częstotliwości o ulepszonej współpracy z silnikiem. SENE'99.

[15] Szymański J.: Napięciowe przemienniki częstotliwości PWM z regulowanym napięciem w obwodzie pośrednim. Politechnika Radomska, ZMiUE 2000.

[16] Koczara W., Seliga R.: Układ regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego zasilanego z falownika wytwarzającego napięcie sinusoidalne. SENE'99.

[17 ] Mosiński F.: Wzrost narażeń napięciowych w silnikach indukcyjnych zasilanych z falowników. Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna SEP Łódź 7-8.05.98.

[18 ] Materiały dostępne w internecie na stronie http://www.simplorer.com.

[19 ] Nowak M., Barlik R.: Poradnik inżyniera energoelektronika. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa.

[20 ] Minksztym T.: Optymalne sterowanie ruchem w zastosowaniach przemysłowych. Seria przetwornic częstotliwości VLT 5000 ze sterownikiem ruchu SyncPos. PAR nr.3/2000.

[21 ] Szymański J.: Minimalizacja strat tranzystorów mocy w układzie falownika napięcia o stałej częstotliwości wyjściowej. Rozprawa Doktorska Politechnika Warszawska 1987.

[22 ] Szymański J.: A method and control system for the three-phase asynchronic motor. Patent nr PL275748.

[23 ] Charoy A.: Zakłócenia w urządzeniach elektronicznych. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa.

[24 ] Przetwornice częstotliwości VLT 5000 Dokumentacja Techniczno Rozruchowa firmy Danfoss.

[25 ] Szymański J.: Harmoniczne prądu w sieciach zasilania.

[26 ] Harmonics, No.: MN.90.F1.02 - Danfoss A/S.

[27 ] Projekt celowy nr 10 T12 022 2000 C/5273 „Modernizacja układu jezdnego koparek eksploatowanych w kopalniach węgla brunatnego (serii SRs 1200) - 2001.06.18

[28 ] Szymański J.: Zdalna transmisja danych i sterowanie w czasie rzeczywistym napędów z przemiennikami częstotliwości firmy Danfoss. Napędy i Sterowanie - 4/2001.

[29 ] Szymański J.: Modernizacja układu jezdnego zwałowarek i koperek w kopalniach węgla brunatnego z zastosowaniem silników klatkowych zasilanych przemiennikami częstotliwości. V konferencja “Komputerowe Systemy Wspomagania Nauki, Przemysłu i Transportu - TransComp” - Zakopane 5-7.12.2001.

[30 ] LoadSharingvlt5000_MI50N202 - Opracowanie wewnętrzne f. Danfoss.

[31 ] Hansen S.: New Topologies for Connecting Power Electronic Converters to the Utility Grid. Danfoss Professor Programme in Power Electronics and Drives 1997-2000.

[32 ] Przybylski J., Szulc Z.: Określenie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym zakłady przemysłowe. Napędy Przemysłowe NP'99.

[33 ] Białas A.: Bezpieczniki i wyłączniki nadprądowe. Legrand Fael - Opracowanie wewnętrzne, opublikowane w miesięczniku Elektrosystemy, 2002.

[34] Hansen S. i inni: Line Side Harmonic Reduction Techniques of PWM Adjustable Speed Drives, Danfoss Drives A/S - 2002.

[35 ] Hansen S. i inni: Simple and advanced methods for calculating Six-Pulse diode rectifier line-side harmonics. Danfoss Drives A/S - 2002.

[36 ] Szymański J.: Badania skuteczności zabezpieczeń obwodów mocy przemysłowych przetwornic częstotliwości. Przegląd Elektrotechniczny 2/2000.

[37 ] Michalski A., Szczucki F. i inni: Ochrona przeciwporażeniowa przed dotykiem pośrednim w układach energoelektronicznych, Śląskie Wiadomości Elektryczne.

[38 ] Pastuszka R., Trajdos M.: Jakie kable lubią falowniki? Materiały techniczne - HELUKABEL 2003 - www.helukabel.pl

[39 ] PN-IEC 60364-x-xx Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. (Wyszukiwanie norm: http://www.pkn.com.pl).

[40 ] The Danfoss Harmonic Filter AHF 005 and AHF 010.

[41 ] Szymański J. Harmoniczne prądu wytwarzane przez prostowniki wejściowe przemienników częstotliwości. Konferencja Naukowo Techniczna TRANSCOMP, Zakopane, Grudzień-2003, PRACE NAUKOWE ELEKTRYKA NR 1(6) 2003 - PR.

-2-






















U_L1

U_L2

U_L3

U_L2

U_L1

U_L1

napięcie

prąd

napięcie




Ochrona przeciwporażeniowa w instalacjach napędowych z przekształtnikami energoelektronicznymi

A

A)

B)

C)

prąd

---