Dnešní moderní doba přináší řadu moderních technických aplikací, kdy stále více klasických zařízení je nahrazováno novými modernějšími stroji. Máme možnost měnit plynule otáčky motorů, regulovat výkon či plynule měnit rychlost výrobních linek.
Frekvenční měniče a jejich vlivy na izolaci
Stejnosměrné regulované pohony jsou nahrazovány regulovanými pohony s asynchronními motory. Kroužkové motory v těžkém průmyslu nahrazují motory nakrátko ve spojení motor-frekvenční měnič. Všechna tato zařízení používající k regulaci motoru frekvenční měnič jsou vystaveny účinkům kapacitních proudů a vlivu dalších elektrických účinků.
Struktura a funkce frekvenčního měniče
Frekvenční měnič, známý také jako měnič frekvence nebo VFD (Variable Frequency Drive), je zařízení, které mění frekvenci zdroje elektrické energie tak, aby odpovídala požadavkům konkrétního zařízení. Frekvenční měnič se skládá ze čtyř hlavních částí: usměrňovač, meziobvod, měnič a řídicí obvod. Třífázový frekvenční měnič, který je napájen střídavým proudem obvykle o frekvenci 50 Hz, se v usměrňovači usměrní. Usměrněný stejnosměrný proud je „zvlněný“. V meziobvodě frekvenčního měniče se usměrněný proud za použití filtrů, cívek a kondenzátorů stabilizuje a vyhladí. Měnič je poslední místo před motorem, kde je výstupní napětí přizpůsobeno požadavkům pro napájení motoru.
Pulzní frekvence a její dopad
Modulované výstupní napětí z frekvenčního měniče má obdélníkový charakter, proud nám tvoří již požadovanou sinusovku příslušné frekvence. Důležitým parametrem frekvenčního měniče je tzv. pulzní frekvence. Velikost této pulzní frekvence (řádově v kHz) ovlivňuje tvar výstupního napětí a proudu. Čím je tato frekvence větší, tím hladší je sinusový průběh proudu. Pokud napájíme motor z frekvenčního měniče, na napájecí frekvenci (Hz) je také namodulovaná vysokofrekvenční pulzní frekvence (kHz).
Vliv na izolaci motoru
V obvodu elektromotoru je mnoho izolací (kapacit), které se v obvodu chovají podobně jako kondenzátor. Každá tato kapacita (kapacita vodičů, kapacita izolace vinutí, rotorových tyčí, vzduchové mezery apod.) má svoji impedanci (odpor střídavého proudu) Z = 1/(2pfC). To znamená, že čím vyšší je pulzní frekvence, tím menší je impedance izolačního materiálu a tím větší teče proud přes izolaci.
Čtěte také: Izolace s asfaltovým lakem: Jak na to?
Ochrana proti ložiskovým proudům
Výrobci motorů dnes vyrábí motory, které jsou uzpůsobeny pro práci s frekvenčním měničem. Motor má upravené vinutí, zesílenou izolace a přední ložisko (NDE) je většinou izolované. Tato izolace ložiska poměrně dobře funguje pro proudy o nižších frekvencích. Dlouhodobé zkušenosti ukazují, že ložiska jsou ohrožena tehdy, když efektivní hodnota hřídelového napětí přesáhne 200 mV až 250 mV. Při vyšším napětí může docházet k degradaci mazacího tuku v ložisku, a tím ke ztrátě mazacích vlastností mazacího tuku a k poškození dráhy ložiska od průchodu ložiskových proudů.
Abychom zabránili poškození ložisek motoru a dalších zařízení, je nutné dodržet doporučení výrobců, které spočívá ve správném pospojování neživých částí celého zařízení. Dále je vhodné použít na straně hřídele přizemnění hřídele pomocí kartáče, kde stator motoru vodivě spojíme s rotorem motoru. Problém ovšem nastává, pokud máme elektromotor se dvěma volnými konci a z obou stran motoru máme přes spojku připojené další zařízení. Proto je bezpodmínečně nutné na straně izolovaného ložiska použít také izolovanou spojku, která od zařízení odizoluje hřídel motoru a tím obvod opět rozdělí.
Řízení frekvenčního měniče
Existují různé typy řízení měniče: skalární, vektorové (bez snímačů nebo se zpětnou vazbou), přímé řízení toku a momentu motoru atd.
Skalární řízení
Skalární řízení je původním principem měniče V/Hz. V takovém měniči je výstupní napětí řízeno podle výstupního kmitočtu. Při výstupním napětí měniče úměrném kmitočtu motor pracuje s přibližně konstantním tokem i bez signálů zpětné vazby otáček. Zvýšení napětí (pevná hodnota napětí, která se přidá k výstupnímu napětí měniče), smluvená hodnota kompenzace IR (odporového úbytku napětí statorového vinutí) nebo zlepšená dynamická kompenzace napětí jsou běžně užívané alternativy zlepšování rozběhových a pracovních charakteristik v oblasti nízkých otáček.
Zvýšení napětí má větší vliv při nízkých otáčkách, kdy je napětí motoru nízké, a je třeba zajistit, aby zvýšení napětí nebylo tak vysoké, aby došlo k nasycení motoru. Kompenzace IR, kde je při malých zátěžích velikost zvýšeného napětí úměrná velikosti proudu v motoru, představuje zlepšení. Mnohá skalární řízení využívají speciální algoritmy pro dynamickou kompenzaci úbytku napětí způsobeného odporem a indukčností statoru motoru.
Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací
Vektorové řízení
Střídavý měnič s vektorovým řízením v podstatě ruší vazbu složek proudu motoru vytvářejících magnetizační tok a moment, aby je mohl řídit samostatně. Tohoto rušení vazby se dosáhne pomocí výpočtu charakteristik motoru za použití náhradního obvodu (matematický model) se signály zpětné vazby otáček nebo bez nich. Podle úrovně požadovaných charakteristik se mohou použít různé metody pro tento výpočet náhradního obvodu.
Přímé řízení toku a momentu
Měnič s přímým řízením toku a momentu motoru má hysterezní typ řízení (rovněž známý jako „klouzavý režim" (sliding mode), při kterém se nastavuje tok a moment motoru pomocí výpočtu matematického modelu motoru, se signály zpětné vazby otáček nebo bez nich. U tohoto typu řízení není žádný modulátor, každý spínací přechod každého výkonového polovodiče měniče je uvažován samostatně.
Všechny tři typy řízení mohou být použity pro aplikace s konstantním momentem i pro aplikace, kde se moment zvyšuje s otáčkami (například odstředivá čerpadla nebo ventilátory).
Izolátor signálu: Princip funkce a použití
Pracovní principy izolátoru signálu
Izolátor signálu obecně odkazuje na izolátor signálu v systému světelného proudu, aby chránil podřízený signálový systém před vlivem a rušením nadřazeného systému. Izolátor signálu je druh izolačního zařízení signálu, které transformuje vstupní jednoduché, dvojité proudové nebo napěťové signály na izolované jednoduché, dvojité lineární proudové nebo napěťové signály a zlepšuje výkon elektrické izolace mezi vstupem, výstupem a napájecím zdrojem.
Izolátor signálu nejprve moduluje a transformuje signál přijatý PLC prostřednictvím polovodičového zařízení a poté ho izoluje a transformuje prostřednictvím zařízení citlivého na světlo nebo magneticky citlivého, a pak demoduluje a transformuje zpět na původní signál nebo jiný signál před izolací. Současně izolujte napájení izolovaného signálu, abyste zajistili absolutní nezávislost mezi transformovaným signálem, napájením a zemí. Signál se během přenosu setká s různými rušeními. Pro zajištění stability signálu je použití izolátoru signálu obzvláště důležité.
Čtěte také: Jaké jsou druhy a vlastnosti izolačních betonů?
Funkce izolátoru signálu
Izolátor signálu může chránit podřízenou řídicí smyčku. Izolátor signálu může snížit vliv okolního hluku na zkušební obvod. Izolátor signálu potlačuje rušení veřejného uzemnění, měniče, elektronového magnetického ventilu a neznámého pulzu do zařízení. Současně má izolátor signálu funkci omezení napětí, proudění škrticí do podřízeného zařízení, což je věrná ochrana vysílače, přístroje, převodníku, elektronového magnetického ventilu PLC/DCS vstupu a výstupu a komunikačního rozhraní. Konstrukce lišty DIN řady izolátoru signálu se snadno instaluje a dokáže efektivně izolovat potenciál mezi vstupem, výstupem, napájením a zemí. Izolátor signálu může překonat šum frekvenčního měniče a různé vysokofrekvenční pulzní rušení.
DC-DC měniče a jejich role
Solární články vydávají stejnosměrný proud. Lze je přímo použít jako zdroj stejnosměrného proudu? Je to možné pro mikro a malá elektrická zařízení, která nemají přesné požadavky na napětí, jako jsou kalkulačky a hračky. Výstupní napětí solárních článků závisí na způsobu připojení a množství fotovoltaických zařízení a přímo souvisí s velikostí zátěže a intenzitou světla. Nelze jej přímo použít jako běžný zdroj energie.
Stejnosměrný proud ze solárního článku lze převést na stabilní stejnosměrný proud různých napětí pomocí DC-DC měniče. DC-DC měnič, známý také jako DC-DC konvertor, je důležitou součástí solárních fotovoltaických systémů na výrobu energie. Hlavním pracovním režimem stejnosměrného konverzního obvodu je pulzně šířková modulace (PWM).
Princip DC chopperu
Obvod DC chopper je jednoduchý a je široce používaným obvodem DC konverze. Na obrázku je znázorněn základní obvod sekání. Ud je vstupní stejnosměrné napětí, V je spínací trubice a UR je napětí na zátěži R. Když je V zapnuto, výstupní napětí je rovno Ud a doba vedení je ton. Když je V vypnuto, výstupní napětí se rovná 0, doba vypnutí-tooff je toff a pracovní cyklus D=ton/T. Výstupní napětí lze změnit změnou šířky impulsu. Před časem t1 je puls širší, interval je užší a průměrné napětí (UR1) je vyšší. Po čase t1 se puls vypráví a průměrné napětí (UR2) klesá. Perioda T pevné obdélníkové vlny zůstává nezměněna. Úprava výstupního napětí změnou pracovního cyklu je metoda (PWM), známá také jako metoda modulace s pevnou frekvencí. Pulsy obdélníkových vln nelze považovat za stejnosměrné napájecí zdroje. Při skutečném použití je třeba přidat filtrační obvod. Obrázek ukazuje obvod s LC filtrem, kde L je tlumivka filtru, C2 je filtrační kondenzátor a D je dioda od ruky. Když je V vodivá, L a C2 ukládají energii a přenášejí energii do zátěže R. Když je V vypnutá, C2 dodává energii zátěži R a L dodává energii zátěži R až D. Frekvence zvolená pro výstupní obdélníkovou vlnu je relativně vysoká, obecně se pohybuje od několika tisíc Hz do desítek tisíc Hz.
Boost chopper obvod
Obvod boost chopperu může být také vytvořen prostřednictvím indukčních součástek. Když je spínací trubice V zapnutá, proud procházející induktorem L bude ukládat energii do L. V tomto okamžiku je napětí na zátěži zajišťováno C2. Tento obvod se nazývá Boost chopper obvod nebo Boost konvertor.
KJDD150030 je vysoko-frekvenčně izolovaný jednosměrný DC/DC konverzní modul s hlavními výhodami, jako je ultra-široký rozsah napětí, ultra-vysoká provozní teplota při plném zatížení a mimořádně-vysoká účinnost. Mezi hlavní charakteristiky tohoto modulu patří vysoká ochrana a vysoká hustota výkonu. Pro vzdálenost menší nebo rovnou 2000 m není vyžadováno žádné snížení výkonu. Pro nadmořské výšky nad 1000 m nastavte skutečnou hodnotu nadmořské výšky. Vyhovuje standardnímu limitu 0,15 až 80 MHz.
Řešení problémů s izolací v moderních provozech
V moderních průmyslových provozech je dnes běžné použití pohonů s frekvenčními měniči nebo využití nejrůznějších aplikací se střídači a/nebo usměrňovači. Moderní výkonové polovodičové prvky jsou často zdrojem rušivých signálů, které se dříve v izolovaných soustavách nevyskytovaly. Z tohoto důvodu nejsou starší typy hlídačů izolačního stavu odolné např. vůči nízkým nebo vysokým kmitočtům.
V případě modernizace výrobní linky mohou být nové spotřebiče příčinou signalizace zhoršeného izolačního stavu. V tomto případě se ale nejedná o závadu izolace, ale o nesprávně aplikovaný přístroj, který může díky zastaralé měřicí metodě udávat nesprávné hodnoty nebo být zdrojem falešných alarmů.
Moderní hlídače izolačního stavu
Moderní hlídače izolačního stavu využívají aktivních měřicích metod pro stanovení hodnoty izolačního odporu v monitorované IT soustavě. Výrobci se navíc snaží přizpůsobovat měřicí metody konkrétním aplikacím, je tedy nezbytné přistupovat k výběru přístroje s přihlédnutím ke všem důležitým parametrům monitorované soustavy, jako je typ sítě (AC/DC), jmenovité napětí sítě, možnost výskytu nízkých nebo vysokých kmitočtů, charakter instalovaných spotřebičů, hodnota rozptylové kapacity v síti a další. Špatně zvolený hlídač izolačního stavu může indikovat nesprávnou hodnotu izolačního odporu, případně být zdrojem falešných alarmů.
Základní pravidla pro instalaci
Základní pravidla pro instalaci hlídače izolačního stavu zní: přístroj musí být instalovaný co nejblíže zdroji a v jedné izolované soustavě smí být pouze jeden hlídač izolace. Jednou izolovanou soustavou se přitom myslí celá IT síť až po galvanické oddělení. V praxi se často setkáváme se situací, kdy je provedena modernizace podružného rozváděče. Projektant při návrhu rozváděče zjistí, že se jedná o izolovanou soustavu, a tak do rozváděče navrhne hlídač izolačního stavu. Nicméně v nadřazeném rozváděči, který se ale v projektu neřeší, je hlídač izolačního stavu již instalován. Výsledkem jsou nesprávné hodnoty izolačního stavu indikované oběma přístroji - vznikne totiž situace, kdy si přístroje měří navzájem svoje vnitřní odpory, které se typicky pohybují v řádu 100 kOhm a jsou tedy ve většině případech podstatně nižší, než je skutečná hodnota izolačního odporu dané IT soustavy. Dalším problémem mohou být falešné alarmy, které vznikají vzájemným ovlivňováním vlastního měření obou přístrojů. Moderní hlídače izolačního stavu totiž využívají aktivní měřicí metodu za využití napěťových pulzů superponovaných do monitorované sítě. Přístroj pak může nesprávně vyhodnotit napěťové pulsy generované druhým hlídačem.
Další potíže při monitoringu izolačního odporu
Další potíže, které mohou vznikat při monitoringu izolačního odporu, jsou rovněž spojené s modernizacemi napájecích soustav. Stává se totiž, že při modernizaci jsou v rozvodech „zapomenuty“ například staré voltmetry, které bývají „opřené“ o zem. Nově instalovaný hlídač izolačního stavu v takovém případě měří vnitřní odpor tohoto voltmetru a výsledkem je hodnota izolačního odporu v modernizované IT soustavě v řádech desítek až jednotek kOhm. Je třeba si uvědomit, že veškeré obvody, komponenty a přístroje zapojené mezi aktivní vodiče a zem snižují hodnotu izolačního odporu v dané IT soustavě. Stejný efekt jako „zapomenutý“ voltmetr mohou mít i některé moderní analyzátory kvality sítě připojené do IT sítě za účelem měření spotřeby nebo harmonických.
Lokalizace poruch izolace
Systém EDS vyvinutý firmou Bender tvoří hlídač izolačního stavu s integrovaným generátorem pulzů iso685-D-P, vyhodnocovací jednotky EDS440/441 a měřicí proudové transformátory. Celý systém je navržen jako stavebnice, která se přizpůsobí téměř jakékoliv aplikaci, a to jak z hlediska počtu a průřezu monitorovaných vodičů, tak z hlediska složitosti sítě. Instalace systému je možná i v sítích, kde dochází ke složitému propojování přívodů a vývodů, tak i v izolovaných DC soustavách s diodovou vazbou pro zálohované napájení vývodů.
Systém společnosti Bender využívá proudových pulzů pro vyhledávání poruch. Hlídač izolačního stavu iso685-D-P trvale monitoruje hodnotu izolačního stavu sítě. V případě vzniku poruchy se automaticky začnou generovat testovací proudové impulzy, které jsou následně detekovány měřicími proudovými transformátory a vyhodnocovány lokalizačními jednotkami EDS. Překročí-li lokalizační proudový impulz nastavenou hodnotu odezvy ve vyhodnocovací jednotce EDS pro daný měřicí transformátor, systém signalizuje poruchu izolačního stavu na příslušném vývodu. Hlídače izolačního stavu a systémy pro vyhledávání poruch izolace od společnosti Bender přináší ucelené a sofistikované řešení pro zvýšení spolehlivosti a dostupnosti izolovaných soustav.
Je dobré mít na paměti, že z hlediska hodnoty izolačního odporu jsou si jednotlivé spotřebiče rovnocenné. Dost často se v praxi při vyhledávání poruchy izolace setkáváme s představou, že porucha izolace bude na nějakém „velkém“ spotřebiči, například na frekvenčně řízeném pohonu o výkonu 2 MW. Taková zařízení ale většinou prochází pravidelnými revizemi. Nicméně při měření se následně často ukáže, že závadu způsobuje čerpadlo s výkonem pár kW, které se právě z důvodu zanedbatelného odběru nikdy nerevidovalo.
První kategorie zahrnuje případy, kdy opravdu došlo k degradaci izolace kabelů nebo konektorů, k znečištění rozvodnic a kontaktů. Jedná se zejména o letité instalace, případně o rozvody v náročném prostředí s výskytem prachu, vlhkosti nebo vysokých teplot. Poškozenou izolaci mohou samozřejmě mít také jednotlivé spotřebiče.
Diagnostika a řešení problémů
Mnoho diagnostiků řeší stále se opakující poškození ložisek motorů a souvisejících zařízení. Někdy je nutné ve velmi krátkých intervalech provádět výměny ložisek, ucpávek, apod. Dochází k degradaci maziv a především k velmi krátké životnosti komponentů a i celého zařízení. Dnešní dobu ovládají specializace, kdy projektanti nebo celé firmy řeší pouze svoji část projektu, tzn. jeden projektant řeší strojní část a moc už ho nezajímá ta elektrická, druhý projektant řeší stavební nebo elektrickou část a už neřeší tu strojní. Pokud na zařízení v provozu vznikne později problém, je ve většině případů volán diagnostik, který již musí ovládat všechny obory.
Začne měřením vibrací. Zjistí, že je na zařízení je poškozené ložisko a při demontáži odebere vzorek tuku, tribodiagnostik provede jeho analýzu. Ta ukáže, že je tuk velmi zoxidován, což může být důsledkem průchodu ložiskových proudů. To ale nemusí být úplně zřejmé z prohlídky samotného ložiska. Přivolá elektrodiagnostika, který začne posuzovat a měřit napájecí proudy, hřídelové napětí, zemnicí nebo přechodové odpory a provádět frekvenční analýzy všech těchto proudů. V neposlední řadě je nutné společně posoudit celý návrh v souvislosti s dosavadním měřením - jak po stránce strojní, tak po stránce elektrické, včetně způsobu pospojování a systému zemnění.
Pokud je zjištěna příčina například v chybějící izolované spojce, přichází nejtěžší část diagnostiky - přesvědčit provozovatele, případně projektanta, že je na zařízení vážný konstrukční problém a že příčina potíží spočívá třeba právě v nepoužití izolované spojky a přemostění izolace ložiska.
| Parametr | Popis / Hodnota |
|---|---|
| Hřídelové napětí pro poškození ložisek | > 200 mV až 250 mV (efektivní hodnota) |
| Pulzní frekvence frekvenčního měniče | Řádově v kHz |
| Impedance izolace | Z = 1/(2pfC) - klesá s rostoucí frekvencí |
| Rozsah provozních teplot KJDD150030 | -40 °C až +75 °C |
| Přepěťová ochrana KJDD150030 (Linka-k-vedení) | ±1 kV |
| Přepěťová ochrana KJDD150030 (Linka-k-zemi) | ±2 kV |
| ESD ochrana KJDD150030 (kontakt/vzduch) | ±6kV (kontakt) / ±8kV (vzduch) |
| Proudová odolnost KJDD150030 | 100A/m |
tags: #izolacni #menic #signalu #princip #funkce #pouziti