Utrzymanie jakości energii elektrycznej w systemach zautomatyzowanych
Istnieje kilka problemów z jakością energii - udary napięciowe, przerwy w dostawie, niestabilności częstotliwości i szumy - które mogą wynikać z wahań w lokalnej sieci energetycznej. Na szczęście istnieją komponenty, które rozwiązują takie problemy.
Kluczowe parametry układu zasilania
Dwa ważne parametry dotyczące zasilaczy to współczynnik mocy i czas podtrzymania.
Współczynnik mocy jest bezwymiarowym współczynnikiem używanym do opisania różnicy między mocą rzeczywistą a mocą pozorną w układach prądu przemiennego. Moc pozorna to kombinacja mocy rzeczywistej i mocy biernej. Z kolei moc bierna jest pobierana z sieci, chwilowo przechowywana, a następnie zwracana bez zużycia. Jest to zazwyczaj spowodowane odbiornikami indukcyjnymi lub pojemnościowymi, które prowadzą do przesunięcia prądu i napięcia w fazie. Moc bierna zwiększa obciążenie układów dystrybucyjnych, obniża jakość energii i prowadzi do wyższych rachunków za energię.
Idealnie byłoby, gdyby układ miał współczynnik mocy równy jeden - co by oznaczało, że w układzie nie ma mocy biernej. Konstrukcje o współczynnikach mocy poniżej 0,95 powodują zwiększone obciążenie układu dystrybucyjnego i mogą powodować naliczanie opłat za moc bierną.
Ilustracja 3: Przedstawiono moduł zasilający prądu zmienno-stałego 85-100W serii TML 100C firmy Traco Power. Aktywna korekcja współczynnika mocy (PFC) daje współczynnik mocy lepszy niż 0,95 (dla napięcia 230V ~) i lepszy niż 0,99 (dla napięcia 115V ~). (Źródło ilustracji: © Traco Power)
Ilustracja 4: Zasilacze często działają jako przetwornice mocy mające na celu 1) zmianę napięcia lub częstotliwości źródła prądu zmiennego lub 2) prostowanie lub inne przetwarzanie prądu zmiennego na prąd stały. Przykład: omawiana przetwornica prądu zmiennego na stały 48V 400W z modulacją częstotliwości impulsów (PFM) firmy Vicor Corp. posiada wbudowane funkcje filtrowania i ochrony przed udarami w stanach nieustalonych. Jedno zastrzeżenie: do wejścia przetwornicy Vicor Integrated Adapter (VIA) można podłączać tylko zewnętrzne źródło wyprostowanego prądu zmiennego sinusoidalnego - przy współczynniku mocy utrzymywanym przez moduł. Harmoniczne są zgodne z normą IEC 61000-3-2, a filtrowanie wewnętrzne umożliwia spełnienie odpowiednich wymagań dotyczących udarów i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). (Źródło ilustracji: © Vicor Corp.)
Ilustracja 5: filtr sinusoidalny LC firmy Schaffner EMC Inc. umożliwiający napędom silnikowym dostarczanie gładkiej fali sinusoidalnej bez szpilek napięcia do podłączonych uzwojeń silnika. Filtr pozwala także wykonywać instalacje z dłuższymi kablami silnikowymi. (Źródło ilustracji: © Schaffner EMC Inc.)
Czas podtrzymania określa, jak długo zasilacz może nadal dostarczać energię o określonym napięciu po zaniku zasilania. Rozważmy przypadek zasilaczy awaryjnych (UPS) i generatorów, będących źródłami zasilania rezerwowego, stosowanymi w celu zapewnienia ciągłości zautomatyzowanych operacji podczas przerw w dostawie energii i spadków napięcia. Jak opisano dokładniej w ostatniej sekcji tego artykułu, zasilacz awaryjny (UPS) musi dostarczać energię przez odpowiednio długi czas. Jednak w zależności od jego konstrukcji, między awarią zasilania sieciowego a rozpoczęciem dostarczania energii przez zasilacz UPS może występować opóźnienie dochodzące do 25 ms.
Czas podtrzymania zasilania pozwala zasilaczowi wypełnić tę lukę, głównie wykorzystując moc zgromadzoną w kondensatorach. W rzeczywistości zasilacze impulsowe mają zwykle dłuższe czasy podtrzymania niż zasilacze liniowe ze względu na wbudowane kondensatory o wyższym napięciu.
Inne funkcje pozwalające na rozwiązanie problemów z zasilaniem spowodowanych przez maszyny
Podstawami wysokiej jakości zasilacza są: uziemienie, izolacja i filtrowane przetwornice mocy.
Uziemienie: właściwe uziemienie jest niezbędne do prawidłowego działania zasilacza. Zapewnia to napięcie referencyjne (w stosunku do którego mierzone są wszystkie inne napięcia) i ścieżkę powrotną dla prądu elektrycznego. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w artykule Digi-Key pt. Co musisz wiedzieć o wykrywaniu zwarć doziemnych i ochronie przed nimi.
Izolacja: chociaż nieizolowane zasilacze mogą być bardziej energooszczędne i kompaktowe, izolacja między napięciem wejściowym i wyjściowym chroni przed niebezpiecznymi napięciami przechodzącymi na wyjście w przypadku awarii komponentów. Izolacja może być również wymagana w celu ochrony operatorów przed niebezpiecznymi napięciami lub w celu ochrony sprzętu przed stanami nieustalonymi i wzrostami napięcia.
Niektóre formy izolacji:
- Fizyczna izolacja między komponentami
- Sprzężenie indukcyjne poprzez transformator - urządzenia zmieniające napięcie w układzie elektroenergetycznym
- Sprzężenia optyczne - które najlepiej nadają się do przesyłania sygnału między różnymi częściami układu zasilania, zapewniając jednocześnie bardzo wysoki poziom izolacji
Filtry elektryczne i tłumienie udarów: tłumienie udarów usuwa stany nieustalone i wzrosty napięcia, chroniąc urządzenia elektryczne przed skutkami stanów nadnapięciowych. W przeciwieństwie do tego, filtry elektryczne wygładzają napięcie w układzie, aby usunąć szum i harmoniczne. O filtrach w zasilaczach przemysłowych stosowanych w dużych samolotach (ze źródłami prądu 400Hz) można przeczytać w artykule digikey.com Działanie zasilaczy na źródle 400Hz. Można też rozważyć inny typ filtra elektrycznego, który jest szczególnie powszechny w zautomatyzowanych instalacjach w pobliżu miejsca użycia - filtry LC, stanowiące uzupełnienie napędów silnikowych. Filtry LC stanowią rodzaj zbiornika lub obwodu rezonansowego (zwanego również obwodem strojonym) z cewką indukcyjną L i kondensatorem C, służącego do generowania sygnału wyjściowego o zadanej częstotliwości. Filtry LC do silników służą zwykle do przekształcania prostokątnego napięcia wyjściowego PWM przemiennika na gładką falę sinusoidalną z niewielkimi tętnieniami resztkowymi. Korzyści płynące z ich zastosowania to m.in. wydłużenie żywotności silnika poprzez uniknięcie wysokich dv/dt, nadnapięć, przegrzania i strat wynikających z prądów wirowych.
Ochronniki przeciwprzepięciowe działają poprzez blokowanie lub zwieranie prądu lub łączą w sobie działanie przeciwprzepięciowe i zwarciowe.
Ochrona przeciwprzepięciowa poprzez blokowanie: prąd można blokować za pomocą cewek tłumiących nagłe zmiany prądu. Jednak większość ochronników przeciwprzepięciowych zwiera się, gdy występuje przepięcie, kierując prąd z powrotem do linii dystrybucji mocy, gdzie jest rozpraszany przez rezystancję w przewodach obwodu.
Ochrona przeciwprzepięciowa przez zwarcie: szybkie zwarcie (wyzwalane, gdy napięcie przekracza ustalony poziom) jest realizowane za pomocą iskiernika, lampy wyładowczej lub urządzenia półprzewodnikowego. Rzadko zdarza się (podczas dużych lub bardzo długotrwałych udarów), że udary powodują stopienie przewodów zasilających lub elementów wewnętrznych ochronnika przeciwprzepięciowego. Kondensatory również mogą tłumić gwałtowne zmiany napięcia.
Kluczowe parametry ochronników przeciwprzepięciowych to m.in. napięcie progowe, czas reakcji i energia znamionowa. Napięcie progowe - zwane również napięciem przepuszczania to maksymalne napięcie, które może przejść przez ochronnik przeciwprzepięciowy. Typowe napięcie progowe dla urządzeń 120V wynosi 220V. Energia znamionowa (zwykle w dżulach) to maksymalna moc, która może zostać zaabsorbowana, zanim elementy ochronnika przeciwprzepięciowego przepalą się i ulegną awarii.
Ważną, ale często pomijaną kwestią w przypadku ochronników przeciwprzepięciowych jest to, co dzieje się, gdy taki ochronnik przeciwprzepięciowy ulegnie awarii. Jeśli udar przekracza wartość energii nominalnej, a wewnętrzne podzespoły ulegną awarii, ochronnik nie będzie już w stanie zapewnić ochrony przed kolejnymi udarami. Ale to nie znaczy, że zasilanie jest odcięte: niektóre ochronniki przeciwprzepięciowe (takie jak np. zaprojektowane do ochrony serwerów lub innych pamięci elektronicznych) będą nadal doprowadzać zasilanie mimo awarii. Jedynym sygnałem, że ochrona przeciwprzepięciowa nie jest już aktywna, może być lampka ostrzegawcza. Inne ochronniki przeciwprzepięciowe rzeczywiście odcinają zasilanie lub redukują przenoszenie mocy w przypadku awarii.